Conversão da Dureza e Relações entre Propriedades no Aço

O que significa realmente a conversão de dureza

A conversão de dureza é uma correspondência empírica entre escalas de ensaio. Não altera o material, não reproduz a indentação original nem revela um valor de dureza “verdadeiro” oculto. Quando um aço é ensaiado pelo método Brinell e o resultado é indicado como 210 HBW, esse número resulta de um indentador, de uma força, de um tempo de aplicação e de uma medição da indentação definidos. Se o mesmo resultado for indicado como aproximadamente 21 HRC através de uma tabela de conversão, o ensaio Rockwell não foi realizado. O valor HRC é inferido a partir de uma relação estabelecida com base em materiais e condições de ensaio comparáveis.

Esta distinção é importante porque as escalas de dureza medem respostas relacionadas, mas diferentes. A dureza Brinell utiliza o diâmetro de uma indentação relativamente grande, produzida por uma esfera de carboneto. A dureza Vickers utiliza uma pirâmide de diamante e calcula a dureza a partir da força aplicada e das duas diagonais da impressão. A dureza Rockwell determina a profundidade sob forças preliminares e totais especificadas; a escala HRC utiliza um cone de diamante e uma força total de 150 kgf. Os seus números não são unidades diferentes de uma única grandeza física universal.

Dureza medida versus dureza convertida

Um valor medido está associado ao ensaio efetivamente realizado. Um relatório laboratorial que indique 210 HBW 10/3000 identifica a escala Brinell, uma esfera de carboneto de 10 mm e uma força nominal de 3000 kgf. “500 HV10” identifica um ensaio Vickers realizado com uma força de 10 kgf. “32 HRC” identifica um resultado Rockwell C obtido nas condições prescritas para essa escala. Os sufixos e os detalhes do ensaio fazem parte do resultado, não sendo elementos decorativos opcionais.

A dureza convertida deve ser comunicada separadamente da escala medida diretamente. Strong evidence

Um valor convertido deve ser assinalado como tal. Por exemplo, “210 HBW, aproximadamente 21 HRC segundo a ASTM E140-12” comunica dois factos distintos: o primeiro valor foi medido, enquanto o segundo foi consultado ou calculado a partir de uma correlação aceite. Indicar apenas “21 HRC” pode fazer com que um valor inferido pareça ter sido medido diretamente, o que é enganador quando o estado da superfície, a espessura da secção ou a seleção da escala podem afetar o resultado.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

A ASTM E140-12, Tabelas normalizadas de conversão de dureza para metais, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados. As suas tabelas incluem aços-carbono, aços ligados e aços-ferramenta homogéneos, mas a existência de uma categoria de aço não torna todos os graus permutáveis. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura granular e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Um aço 4140 temperado e revenido, um aço AISI 1020 normalizado e um aço inoxidável 301 deformado a frio podem apresentar relações diferentes, mesmo quando as suas leituras numa determinada escala são semelhantes.

A geometria também afeta a validade de uma medição antes de se tentar qualquer conversão. Uma chapa fina pode apresentar uma influência excessiva da superfície oposta num ensaio Brinell ou Vickers. Uma peça curva pode produzir uma indentação alterada ou uma profundidade Rockwell interpretada incorretamente. Uma pequena indentação colocada perto de uma aresta, de outra indentação, de uma soldadura ou de uma superfície descarbonetada pode não representar o material no seu volume. A conversão não pode corrigir um local de ensaio mal selecionado ou inválido.

Tabelas de conversão, correlações e estimativas

Uma tabela de conversão é um resumo ajustado de resultados de ensaios, geralmente dividido por grupo de materiais e intervalo de dureza. Não é uma identidade matemática entre escalas. Dentro do intervalo utilizado para construir a tabela, a diferença média entre as escalas medidas pode ser pequena; fora desse intervalo, o erro pode aumentar acentuadamente. A interpolação dentro de um intervalo declarado é geralmente mais defensável do que a extrapolação para além dele.

As equações fornecem o mesmo tipo de relação sob outra forma. Uma correlação pode ser linear num intervalo limitado, polinomial ou baseada numa regressão ajustada a uma determinada população de aços. Os coeficientes descrevem essa população. Não estabelecem uma lei física para todos os aços. A dispersão pode resultar da geometria do indentador, da recuperação elástica, do escoamento plástico, da anisotropia, da preparação da superfície e de variações na microestrutura.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

A ISO 18265 limita a aplicabilidade direta dos valores convertidos ao material exato ensaiado e classifica as estimativas da resistência à tração como as menos fiáveis. Strong evidence

A ISO 18265:2013, Materiais metálicos — Conversão de valores de dureza, especifica princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. Adverte que “os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado” e identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis (International Organization for Standardization, 2013). Esta advertência estabelece a ordem adequada de confiança: um resultado direto de dureza é o mais sólido, uma conversão para outra escala de dureza é menos certa e uma estimativa da resistência à tração é ainda menos certa.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

O estudo mais antigo da NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, concluiu que a resistência à tração do aço podia frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. “Fins comerciais” é uma qualificação importante. A relação é útil para triagem, verificações de processo e comparação aproximada de materiais; não substitui um ensaio de tração quando uma especificação, um cálculo de projeto, uma investigação de falha ou uma decisão de aceitação depende da tensão de cedência, da resistência máxima à tração, do alongamento ou da redução de área.

A relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS aplica-se apenas a alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência. Limited evidence

Uma relação frequentemente repetida é Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, com a dureza expressa numa unidade de tensão compatível. Uma investigação publicada em Materials Science and Engineering: A em 2012 associou esta aproximação a determinadas classes de materiais e mostrou também que as relações entre dureza e resistência dependem da microestrutura e da morfologia da indentação. A expressão deve, portanto, ser tratada como uma estimativa específica de uma classe de materiais, não como uma regra de conversão aplicável a todos os aços-carbono ou aços ligados.

Por que razão um único número não pode representar todos os aços

O grau do aço descreve a composição química e a especificação, não uma única condição mecânica. O AISI 1045 pode ser fornecido no estado laminado a quente, normalizado, recozido, temperado e revenido ou endurecido superficialmente. Cada condição altera a distribuição das fases, o tamanho de grão, as tensões residuais e o comportamento à deformação. O mesmo grau nominal pode, por isso, apresentar relações diferentes entre dureza e resistência. Uma leitura superficial num 8620 cementado pode descrever uma camada martensítica, enquanto uma leitura mais profunda descreve um núcleo com menor teor de carbono; um único número convertido não pode representar ambas as regiões.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

O relatório técnico da SAE Ensaios de dureza e conversões de números de dureza (1967) afirma que devem ser desenvolvidas conversões precisas para a composição, o tratamento térmico e a peça de aço específicos, uma vez que o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação. Isto é especialmente relevante para conjuntos soldados, peças forjadas, zonas termicamente afetadas e componentes com fortes gradientes térmicos.

Uma investigação publicada em Materials Today: Proceedings em 2023 identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos, no estado bruto ou normalizado. Este resultado é útil precisamente porque os seus limites estão definidos. Não deve ser transferido sem validação para aço-ferramenta temperado e revenido, aço inoxidável endurecido por precipitação, chapa bainítica ou um produto fortemente deformado a frio.

A regra prática é simples: uma conversão só é significativa dentro da família de materiais, da condição, do intervalo de ensaio e da geometria para os quais a relação foi desenvolvida. Se uma decisão depender das propriedades de tração, deve ser realizado um ensaio de tração. Se for necessário comunicar um valor de dureza convertido, deve manter-se a escala diretamente medida, identificar-se a norma ou equação de conversão, indicar-se a condição e o intervalo do material e assinalar-se o resultado como aproximado.

As escalas de dureza utilizadas para o aço

Dureza dinâmica de ressaltoDureza dinâmica de ressalto Dureza inferida a partir da razão entre as velocidades de impacto e de ressalto, em vez de uma impressão estática.

A dureza do aço é indicada em várias escalas, porque nenhum ensaio é adequado para todas as secções, superfícies ou microestruturas. O resultado pode provir de uma indentação estática de grandes dimensões, de uma pequena impressão de diamante ou de um impacto dinâmico por ressalto. Por definição, estas medições não são permutáveis. Um valor medido como HRC não representa a mesma grandeza física que um valor indicado como HBW, mesmo quando uma tabela de conversão lhes atribui números aproximadamente equivalentes.

A selecção da escala depende da dureza prevista, da espessura da secção, do acabamento superficial, do apoio sob o local de ensaio e da presença de gradientes locais no aço resultantes de cementação, nitruração, soldadura ou revenido. Uma peça fina pode dobrar-se ou sofrer cedência sob a acção de um penetrador de grandes dimensões. Uma superfície rugosa pode introduzir erros numa medição de pequena profundidade. Uma camada cementada microscópica pode ser promediada com o núcleo mais macio se a impressão for demasiado grande.

Dureza Brinell: HBW e impressões de grandes dimensões

O método Brinell pressiona uma esfera dura contra o aço com uma força especificada e, em seguida, mede o diâmetro da impressão permanente, aproximadamente circular. As designações modernas utilizam HBW, em que o W identifica uma esfera de carboneto de tungsténio. Um resultado completo pode ser apresentado, por exemplo, como 220 HBW 10/3000, o que significa uma dureza Brinell de 220, obtida com uma esfera de 10 mm e uma força nominal de 3000 kgf. A norma de ensaio é a ASTM E10; a ISO 6506 utiliza o mesmo método básico.

As esferas Brinell comuns têm diâmetros de 1, 2,5, 5 ou 10 mm. A força aplicada é seleccionada tendo em conta o diâmetro da esfera e o material; forças como 500, 1500 e 3000 kgf são típicas nos ensaios de aço. A máquina de ensaio mantém a força durante um período de permanência especificado, após o qual o operador ou o sistema óptico mede o diâmetro da impressão. O valor HBW é calculado a partir da força, do diâmetro da esfera e do diâmetro da impressão, e não apenas da profundidade da indentação.

A impressão é grande em comparação com as produzidas pelos ensaios Rockwell ou de microdureza. Isto é útil quando o aço contém ferrite, perlite, bainite ou martensite revenida distribuídas por um volume representativo, porque o resultado constitui uma média de vários grãos e de pequenas variações locais. É também uma limitação. Uma esfera de 10 mm pode ser inadequada junto de um bordo, numa chapa fina, ao lado de uma soldadura ou sobre uma camada endurecida superficial pouco profunda. O local de ensaio necessita de espessura suficiente e de um apoio rígido, para que o provete não flecta nem se deforme durante a aplicação da carga. A superfície deve ser razoavelmente plana e estar isenta de carepa, descarbonetação e marcas profundas de maquinagem.

Os ensaios Brinell são amplamente utilizados em peças fundidas, peças forjadas, aços normalizados e outros componentes em que é importante um grande volume representativo. São menos adequados para aços muito duros, caso a esfera possa deformar-se, para componentes acabados de pequenas dimensões e para zonas termicamente afectadas estreitas. Uma esfera mais pequena e uma força inferior podem reduzir a dimensão da impressão, mas o resultado passa a exigir um controlo mais rigoroso do espaçamento, da espessura e da preparação da superfície.

Dureza Rockwell: HRC, HRB e escalas superficiais

A dureza Rockwell mede o aumento permanente da profundidade da indentação sob uma carga preliminar, seguida de uma carga principal. Não mede o diâmetro da impressão. A máquina aplica primeiro uma carga preliminar de 10 kgf para estabelecer uma posição de referência, aplica a carga principal, retira essa carga mantendo a carga preliminar e converte a profundidade residual num número de dureza. Nas escalas Rockwell normais, cada ponto de dureza corresponde a uma variação de profundidade de 0,002 mm.

A escala HRC utiliza um cone de diamante de 120 graus, normalmente denominado penetrador Brale, com uma carga principal de 150 kgf. Destina-se a aços mais duros, incluindo aços-ferramenta temperados e revenidos e muitos aços-liga endurecidos. A escala HRB utiliza uma esfera de carboneto de tungsténio ou de aço endurecido com 1/16 de polegada e uma carga principal de 100 kgf, sendo adequada para aços mais macios, qualidades de baixo carbono recozidas, ligas de cobre e materiais semelhantes. As outras escalas Rockwell normais utilizam esferas ou cargas diferentes, pelo que a letra é essencial; «Rockwell 60» sem indicação da escala é uma designação incompleta.

O resultado Rockwell é obtido rapidamente, porque a máquina lê directamente a profundidade, e a pequena impressão deixa frequentemente uma marca menos visível do que a impressão Brinell. Esta pequena área de contacto também torna o ensaio sensível à rugosidade superficial, à curvatura, às camadas descarbonetadas e a constituintes individuais duros ou macios. O provete deve ser suficientemente espesso e rígido para resistir a movimentos. Uma leitura efectuada demasiado perto de um bordo, de outra indentação ou de uma descontinuidade do apoio pode apresentar um valor falsamente elevado ou baixo.

As escalas Rockwell Superficial utilizam o mesmo princípio de medição da profundidade, mas forças inferiores, para secções finas, peças pequenas e camadas superficiais. Uma carga preliminar de 3 kgf é seguida de uma carga principal de 15, 30 ou 45 kgf, consoante a escala e o penetrador seleccionados. Designações como 30N, 45N, 30T e 15T identificam a força e a família do penetrador; a designação da escala deve ser indicada exactamente, em vez de ser substituída por HRC ou HRB normais. Os ensaios superficiais reduzem o risco de atravessar uma camada endurecida fina ou de deformar uma secção ligeira, mas não proporcionam automaticamente um resultado mais exacto. A superfície continua a necessitar de uma preparação adequada e a profundidade afectada deve ser suficientemente grande em relação à indentação.

Microdureza Vickers e Knoop

O método Vickers pressiona contra o provete uma pirâmide de diamante de base quadrada, com um ângulo de 136 graus entre faces opostas. Depois da descarga, o operador mede opticamente as duas diagonais da impressão residual e calcula HV, ou dureza Vickers. As forças de ensaio variam desde cargas de microdureza de alguns gramas-força até cargas convencionais próximas de 100 kgf. Uma designação como 600 HV 0.5 identifica a dureza e a força de ensaio de 0,5 kgf.

Como o diamante não altera a sua forma para a gama normal de durezas dos aços, o método Vickers pode abranger aços macios e muito duros utilizando uma única geometria de penetrador. É útil em secções transversais de soldaduras, verificações de descarbonetação, camadas nitruradas, camadas cementadas e perfis de dureza através de gradientes locais. A impressão é muito mais pequena do que uma impressão Brinell, pelo que são necessárias uma preparação polida e um espaçamento cuidadoso. Com cargas muito baixas, a rugosidade superficial, a recuperação elástica, a resolução da medição e as fases individuais podem afectar significativamente o valor. O aço deve estar firmemente apoiado; uma folha fina ou um bordo sem apoio pode dobrar-se em vez de receber uma indentação válida.

A microdureza Knoop também utiliza um diamante, mas a sua forma é alongada e assimétrica. Mede-se a diagonal maior da impressão, obtendo-se um valor de dureza Knoop normalmente designado por HK. O método Knoop é particularmente útil para revestimentos muito finos, profundidades de camada estreitas e regiões frágeis ou de pequenas dimensões, porque a impressão é pouco profunda e alongada. A sua geometria torna o resultado sensível à orientação, à preparação da superfície, à fendilhação e à direcção das características microestruturais. Os valores Knoop e Vickers não devem ser considerados idênticos apenas porque ambos utilizam penetradores de diamante.

Métodos Leeb e Scleroscope

A dureza Leeb é um método dinâmico por ressalto, e não um ensaio de indentação estática. Um corpo de impacto accionado por mola, normalmente equipado com uma esfera de carboneto de tungsténio ou outra ponta especificada, embate na superfície. O instrumento mede a velocidade de impacto e a velocidade de ressalto e indica um valor Leeb, normalmente HL, baseado na sua razão. A marca de contacto resultante é pequena, mas a leitura depende fortemente do acabamento superficial, da curvatura, da massa, da espessura, do apoio e da direcção do impacto. A ASTM A956 abrange os ensaios Leeb.

O método Leeb é útil em peças forjadas de grandes dimensões, maquinaria instalada e locais onde não seja possível posicionar um aparelho convencional de bancada. A peça deve ser pesada ou estar firmemente acoplada a um apoio rígido; caso contrário, a vibração absorve energia e reduz o valor de ressalto. A conversão de HL para HRC, HBW ou outra escala exige o dispositivo de impacto, a direcção e a família de materiais correctos. Não constitui um substituto directo de um ensaio de indentação estática.

O método Scleroscope também se baseia no ressalto. Um martelo com ponta de diamante é largado de uma altura fixa no interior de um tubo vertical, e observa-se ou mede-se electronicamente a altura a que ressalta da superfície do aço. O resultado é expresso em unidades de dureza Scleroscope, normalmente escritas como HS. Ao contrário dos métodos Brinell ou Vickers, não calcula a dureza a partir de uma impressão permanente medida. A limpeza da superfície, o alinhamento vertical, a massa, o apoio e a rugosidade têm, por isso, efeitos importantes.

A ASTM E140-12 fornece relações aproximadas entre valores HBW, HV, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços homogéneos ao carbono, aços-liga e aços-ferramenta. A ASTM afirma que a liga, a estrutura do grão e o tratamento térmico afectam as conversões. A ISO 18265:2013 estabelece igualmente princípios para a conversão e adverte que os valores convertidos só se aplicam directamente ao material exacto ensaiado; as estimativas da resistência à tracção são as conversões menos fiáveis. A escolha da escala deve, por conseguinte, produzir primeiro um valor medido válido. Um número convertido constitui uma evidência secundária, não um substituto do ensaio directo quando a resistência do aço ou a aceitação dependem desse resultado.

ASTM E140 e ISO 18265: o que as normas permitem

As normas de conversão de dureza não transformam um resultado de ensaio numa medição equivalente realizada por outro método. Fornecem relações empíricas entre escalas de dureza, geralmente expressas sob a forma de tabelas. A distinção é importante: um valor medido é obtido diretamente através da aplicação, à peça, de um penetrador, uma força, um tempo de permanência e um procedimento especificados; um valor convertido é calculado a partir dessa medição; e uma resistência à tração estimada constitui uma inferência adicional baseada na dureza. Cada etapa pode acrescentar incerteza.

O âmbito da ASTM E140-12

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre escalas de dureza especificadas para metais especificados. As suas tabelas incluem valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb. O documento não é uma equação geral que torne todas as escalas de dureza intercambiáveis. É uma referência para os casos em que o material e as condições de ensaio se enquadram na experiência representada pela tabela aplicável.

Para o aço, a norma inclui tabelas para aços-carbono homogéneos, aços ligados e aços para ferramentas. O termo “homogéneo” é importante. Não se pode presumir que uma tabela desenvolvida para um aço razoavelmente uniforme descreva uma camada cementada, uma superfície descarburada, uma zona termicamente afetada de uma soldadura, um produto laminado bandado ou uma peça que contenha um gradiente acentuado de dureza. O penetrador pode analisar apenas uma região superficial, enquanto a conversão solicitada pressupõe implicitamente um material uniforme abaixo dessa região.

A ASTM International declara diretamente que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (2012). Essas variáveis alteram a resposta à deformação sob o penetrador. Dois aços podem apresentar a mesma dureza Brinell, mas proporções diferentes de ferrite, perlite, bainite, martensite ou austenite retida. Podem, por isso, produzir diferentes resistências à tração, comportamentos ao escoamento e resultados noutra escala de dureza. Mesmo dentro do mesmo grau, os estados normalizado, temperado e revenido, recozido e encruado não têm necessariamente de seguir a mesma curva de conversão.

As tabelas dependem também do intervalo de dureza abrangido. Uma conversão próxima do centro de uma tabela não é automaticamente fiável no limite superior ou inferior da mesma. A extrapolação não constitui um substituto permitido para uma entrada da tabela. Do mesmo modo, não se deve converter um resultado Rockwell C em Brinell quando a impressão está demasiado próxima de uma aresta, de outra impressão, de uma superfície de apoio ou do limite de uma soldadura. Um resultado numérico limpo não corrige um ensaio deficiente.

A seleção da escala precede a conversão. A escala Brinell é frequentemente útil para aços relativamente grosseiros, heterogéneos ou de grande espessura, porque a sua impressão de grandes dimensões calcula uma média sobre um volume mais amplo. A escala Vickers pode abranger um amplo intervalo de dureza e ser aplicada com cargas reduzidas, mas as pequenas impressões são mais sensíveis à preparação da superfície, às fases locais e à resolução da medição. Os métodos Rockwell são rápidos e práticos para muitas verificações de produção, enquanto as escalas Rockwell superficiais reduzem a força e a penetração para secções mais finas ou camadas tratadas superficialmente. Os métodos Leeb e Scleroscope são ensaios dinâmicos cujas leituras dependem fortemente da massa, do apoio, da orientação, do estado da superfície e da calibração do instrumento.

A ASTM E140-12 não elimina essas diferenças entre métodos. Uma tabela pode indicar uma relação aproximada entre HRC e HB, por exemplo, mas não pode estabelecer que uma determinada peça foi ensaiada corretamente ou que a sua microestrutura pertence à população a partir da qual a relação foi derivada. O resultado comunicado deve, por isso, manter a escala e o método originais. “62 HRC, convertido em aproximadamente 700 HV” transmite mais informação do que comunicar apenas “700 HV”, porque o primeiro valor é medido e o segundo é inferido.

A mesma precaução se aplica quando a dureza é utilizada para inferir a resistência à tração. O estudo do NIST sobre as relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, referiu que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. Essa conclusão apoia uma estimativa prática dentro de uma população de aços adequada; não estabelece a resistência à tração como uma função universal de HB. O ensaio de tração mede um comportamento relacionado com a fratura num provete com geometria definida, enquanto a indentação mede a resistência plástica localizada sob um estado de tensão diferente.

Os princípios da ISO 18265:2013

A ISO 18265:2013, Metallic materials—Conversion of hardness values, estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. A norma considera que a conversão depende do material, do método de dureza, do intervalo aplicável e da evidência subjacente à relação. Está, por isso, mais próxima de um enquadramento para uma utilização responsável do que de uma afirmação de que todas as escalas possuem uma equivalência matemática fixa.

Uma limitação central é explicitada: “Os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado” (International Organization for Standardization, 2013). Na prática, “material exato” inclui mais do que uma designação nominal do grau, como ASTM A36, AISI 4140 ou UNS S30400. Inclui a composição dentro dos limites relevantes, a forma do produto, a estrutura dos grãos, o estado da superfície, o tratamento térmico, a deformação anterior e, em muitos casos, o processo específico de fabrico. Uma barra de 4140 temperada e revenida a 600 °C não é intercambiável com um dente de engrenagem de 4140 cementado ou com um veio endurecido por indução, simplesmente porque todos possuem a mesma designação de grau de base.

A ISO 18265:2013 identifica também as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis. Essa classificação é metalurgicamente sensata. A conversão entre duas escalas de indentação já depende da forma como diferentes penetradores e cargas interagem com o mesmo material. A passagem da dureza para a resistência à tração última introduz uma dependência adicional do encruamento, dos defeitos, da anisotropia, da geometria do provete e do comportamento à fratura. Um número de dureza pode servir para detetar um tratamento térmico incorreto, mas não pode, por si só, demonstrar a conformidade com um intervalo especificado de resistência à tração quando essa propriedade constitui um requisito de projeto ou de aceitação.

Uma relação frequentemente repetida ilustra o perigo de remover as qualificações da evidência. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns materiais metálicos de elevada resistência e dúcteis. Neste caso, $H_V$ é a dureza expressa numa unidade de tensão compatível e ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ é a resistência à tração última. A relação é específica de uma classe de materiais, não uma lei aplicável a todos os aços. O mesmo estudo referiu que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. Aplicar o fator três a um ferro fundido, a um aço-carbono macio recozido, a um aço inoxidável endurecido por precipitação e a um aço para ferramentas martensítico revenido não seria defensável sem as devidas qualificações.

Existem casos mais restritos em que uma relação empírica é útil. Um estudo de 2023 sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos encontrou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços no estado bruto ou normalizado. Esse resultado pode apoiar uma estimativa específica de uma fábrica ou de uma família de produtos quando o material ensaiado permanece dentro da população estudada. Não justifica a transferência da reta para um aço ligado temperado e revenido, um fio trefilado a frio ou uma peça soldada.

Tabelas aproximadas versus calibração específica do material

Uma tabela de referência normalizada e uma correlação de qualificação respondem a perguntas diferentes. A ASTM E140-12 procura determinar, em termos práticos, que valor aproximado de dureza pode corresponder a um valor medido para uma classe especificada de metais, dentro do âmbito indicado pela norma. Uma correlação de qualificação procura determinar que relação foi demonstrada para um aço, uma rota de processo, um estado e uma peça definidos.

Por exemplo, um fabricante ou laboratório poderia ensaiar aço 1045 normalizado proveniente de uma rota de produção de uma determinada siderurgia, medir a dureza Brinell e a resistência à tração em provetes correspondentes e ajustar uma regressão ao intervalo de produção efetivo. A equação resultante pode ser adequada a esse estado do 1045, se for verificada com novos lotes e apoiada por uma análise de incerteza. Não deve ser automaticamente aplicada a 1045 endurecido por indução, nem substituir os ensaios de tração quando um contrato especifica diretamente a tensão de cedência ou a resistência última.

O relatório técnico da SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, expõe este ponto em termos práticos: devem ser desenvolvidas conversões precisas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação. O tamanho e a massa da peça são particularmente relevantes para os métodos dinâmicos e para secções finas que não conseguem proporcionar um apoio adequado. A preparação da superfície, a curvatura, o espaçamento entre impressões e a dureza da superfície de apoio também podem alterar o valor medido antes de qualquer conversão ser tentada.

Um relatório defensável regista a dureza medida, a norma e a escala, a força ou carga de ensaio, o penetrador, o local, o estado da superfície, o grau do material e o estado do tratamento térmico. Se for necessário um valor convertido, este deve ser identificado como convertido e associado à ASTM E140-12 ou à ISO 18265:2013, incluindo, sempre que possível, a tabela ou o intervalo utilizado. Se a resistência à tração for estimada, o relatório deve identificar o modelo empírico, a população de calibração, a dispersão e os limites de utilização.

Quando o resultado afeta um projeto crítico relativamente à fratura, a aprovação de um tratamento térmico ou uma aceitação formal baseada em propriedades de tração, o ensaio de tração direto constitui a evidência adequada, salvo se um procedimento qualificado separadamente tiver estabelecido a correlação. A conversão de dureza é valiosa para comparação e controlo do processo. Não constitui autorização para tratar um número conveniente como um substituto universal.

Por que razão o grau do aço e a composição química alteram a conversão

Um número de dureza descreve a resistência a um determinado penetrador, sob um determinado ciclo de aplicação da carga. Não identifica a resistência global, a ductilidade, o comportamento à fratura ou a microestrutura completos do aço. Dois provetes podem apresentar ambos 200 HBW, embora atinjam esse valor através de misturas muito diferentes de ferrite, perlita, bainite, martensite, carbonetos e austenite retida. As suas resistências à tração podem ser diferentes, e os seus valores noutra escala de dureza podem não corresponder ao número sugerido por uma tabela geral de conversão.

Esta distinção separa a dureza medida da dureza convertida e da resistência à tração estimada. Um valor medido de 200 HBW é o resultado de um ensaio Brinell definido. Um valor como 92 HRB, obtido a partir de uma tabela, é um resultado convertido. Uma resistência à tração inferida a partir de qualquer um desses valores constitui uma estimativa adicional, com incerteza suplementar. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas para determinados metais e escalas de dureza, mas a ASTM afirma claramente que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012).

Carbono, elementos de liga e temperabilidade

O carbono altera a dureza do aço através de vários mecanismos interligados. Num aço ferrítico de baixo teor de carbono, grande parte do carbono permanece na ferrite ou forma quantidades relativamente pequenas de perlita. O aumento do teor de carbono geralmente aumenta a fração de perlita numa estrutura arrefecida lentamente e eleva o teor de carbono disponível para formar martensite durante a têmpera. A martensite é muito mais dura do que a ferrite, mas a sua dureza também depende fortemente do seu teor de carbono e do estado de revenido. Assim, não se pode atribuir a um aço com 0,40%C temperado e a um aço com 0,20%C temperado a mesma relação entre dureza e resistência à tração simplesmente porque uma leitura superficial apresenta, por acaso, um valor semelhante.

TemperabilidadeTemperabilidade Capacidade de um aço desenvolver martensite até uma determinada profundidade sob uma condição de arrefecimento especificada; não é o mesmo que a dureza máxima.

Os elementos de liga alteram tanto as fases presentes como o percurso através do qual estas se formam. O manganês, o crómio, o molibdénio e o níquel podem retardar as transformações da perlita e da bainite, aumentando a temperabilidade — a profundidade até à qual um aço pode desenvolver martensite sob uma determinada velocidade de arrefecimento. O AISI 1045 pode produzir uma superfície martensítica dura e um núcleo ferrítico-perlítico mais macio numa secção que arrefeça rapidamente à superfície. O AISI 4140, com adições de crómio e molibdénio, pode endurecer mais profundamente sob um tratamento comparável. Se ambas as peças receberem a mesma têmpera nominal, os seus gradientes de dureza e propriedades de tração podem ser diferentes, mesmo quando uma indentação local apresenta o mesmo valor de HRC.

A distinção entre dureza e temperabilidade é importante em secções espessas. A temperabilidade não significa que todos os pontos se tornam igualmente duros; significa que o aço resiste à transformação por difusão durante o arrefecimento. A dimensão da secção, o meio de têmpera, a agitação e a geometria da peça determinam o historial de arrefecimento. Por esse motivo, o relatório técnico da SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, afirma que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça em causa, uma vez que a dimensão, a massa, a composição e o processamento afetam a relação (SAE International, 1967).

Os carbonetos acrescentam outra fonte de divergência. Os carbonetos ricos em crómio num aço para ferramentas ou num aço inoxidável, os carbonetos de vanádio em alguns aços rápidos ou obtidos por pulvimetalurgia e os carbonetos de ferro na perlita não interagem com uma indentação da mesma forma que uma matriz martensítica uniforme. Uma elevada população de carbonetos pode aumentar a resistência à indentação, reduzindo simultaneamente a relação entre a dureza e a deformação por tração da matriz. A austenite retida pode originar a complicação oposta: um provete pode apresentar uma dureza elevada após a têmpera, mas uma transformação subsequente durante o serviço ou a retificação pode alterar as suas dimensões e a dureza medida.

O tratamento de revenido também é importante. A martensite revenida, a bainite e a perlita fina podem ocupar intervalos de dureza sobrepostos, embora apresentem diferentes relações entre a tensão de cedência e a resistência à tração, bem como diferentes respostas à fratura. O tamanho da indentação, as tensões residuais, o encruamento e a anisotropia influenciam então a leitura. A mesma dureza nominal não constitui uma análise das fases.

Aços estruturais não ligados e correlações comerciais

Uma tendência geral entre dureza e resistência pode continuar a ser útil no âmbito de uma família restrita de aços. Os aços estruturais não ligados, no estado bruto ou normalizado, contêm frequentemente ferrite e perlita, cujas proporções variam com o teor de carbono e o historial de arrefecimento. Aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos estudados em 2023 apresentaram uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração nessas condições (Materials Today: Proceedings, 2023). Este resultado explica por que razão as estimativas da resistência baseadas na dureza Brinell podem funcionar razoavelmente para um grupo controlado de aços estruturais correntes.

A relação é empírica, não uma lei física. Para qualidades como EN 10025-2 S275JR e EN 10025-2 S355JR, uma leitura de dureza pode apoiar uma verificação do processo ou uma estimativa preliminar aproximada quando se sabe que o material é um aço estrutural não ligado ou de baixa liga, no estado de fornecimento esperado. Não pode estabelecer a conformidade com os intervalos especificados para a tensão de cedência e a resistência à tração sem o ensaio de tração exigido. A normalização refina a estrutura dos grãos e altera o equilíbrio ferrite–perlita; o historial de laminagem e a segregação podem alterar novamente o resultado.

Um estudo do NIST de 1929 sobre relações empíricas Rockwell–Brinell indicou que a resistência à tração dos aços pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais (NIST, 1929). “Frequentemente” é o limite operativo. Uma estimativa deste tipo é útil para uma correlação aproximada dentro da população a partir da qual foi obtida, mas não autoriza a substituição de um ensaio de tração em todas as qualidades de aço.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração, mas adverte que os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado e identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis (ISO, 2013). Assim, uma entrada de tabela para a conversão de HBW para HRC não deve ser tratada como prova de que o valor HRC convertido prevê a resistência à tração com igual confiança.

Aços para ferramentas, aços inoxidáveis e pressupostos excluídos

Os aços para ferramentas e os aços inoxidáveis expõem os limites das correlações gerais aplicáveis aos aços carbono. O AISI D2 pode conter uma população substancial de carbonetos ricos em crómio numa matriz endurecida e revenida. O AISI H13 pode conter martensite ligada revenida após um tratamento destinado a aços para ferramentas de trabalho a quente. O aço inoxidável AISI 420 pode variar desde um material recozido relativamente macio até um material martensítico duro após têmpera e revenido. Cada estado altera a resposta à indentação, e a nenhum deles deve ser atribuída uma conversão própria de aços carbono simplesmente porque o seu valor HRC ou HV se encontra no mesmo intervalo numérico.

Os aços inoxidáveis austeníticos, como o AISI 304 e o AISI 316, apresentam um problema diferente. A sua matriz cúbica de faces centradas pode sofrer um forte encruamento durante a indentação, e a redução a frio pode produzir martensite induzida por deformação em algumas composições. Uma dureza medida após trabalho a frio reflete, portanto, tanto a composição inicial como o historial de processamento. As qualidades inoxidáveis ferríticas, duplex, endurecíveis por precipitação e martensíticas exigem pressupostos separados, porque o seu equilíbrio de fases e os seus mecanismos de endurecimento são diferentes.

A aproximação frequentemente citada Hᵥ ≈ 3σUTS foi identificada para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, mas um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A salienta que as relações entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). Não constitui uma conversão universal para o aço.

Os ensaios de tração diretos continuam a ser necessários quando as propriedades de tração controlam a aceitação, a conceção ou a avaliação da falha, salvo se for aprovada uma correlação qualificada. Strong evidence

Os relatórios devem, por isso, indicar a escala medida, a norma de ensaio, a força ou a designação da esfera, quando relevante, a localização e o estado do material. Se for comunicado um valor convertido, este deve ser identificado como convertido e deve ser indicada a tabela ou norma aplicável. Se a resistência à tração for estimada, deve ser identificada como estimativa e deve ser indicado o intervalo de materiais que a fundamenta. Quando a aceitação, os valores admissíveis de projeto ou a avaliação de falhas dependerem das propriedades de tração, continua a ser necessário realizar ensaios de tração diretos.

Tratamento térmico e microestrutura: as principais fontes de erro

O tratamento térmico é uma variável de primeira ordem em qualquer relação de dureza. Não pode ser tratado como uma nota de rodapé sob a designação do aço. Dois provetes com a mesma composição química nominal podem apresentar dureza, resistência à tração, ductilidade e resposta à indentação substancialmente diferentes após recozimento, normalização, têmpera, revenido, cementação, nitruração ou têmpera por indução. Uma conversão de dureza que ignore a condição do material pode produzir um número com aparência de precisão, mas com pouca validade física.

Esta distinção é importante porque se confundem frequentemente três grandezas diferentes. A dureza medida é o resultado obtido num ensaio especificado, como 220 HBW ou 62 HRC. A dureza convertida é uma estimativa aproximada noutra escala, como um valor Rockwell C inferido a partir da dureza Vickers. A resistência à tração estimada é uma inferência adicional baseada na dureza e é menos fiável do que uma conversão entre escalas. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono homogéneos, aços ligados e aços para ferramentas. Afirma também que “as conversões são afectadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico”.

A ISO 18265:2013 explicita a mesma limitação. Especifica princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração, mas declara que os valores convertidos são directamente aplicáveis apenas ao material exacto que foi ensaiado. As estimativas da resistência à tração são identificadas como as conversões menos fiáveis. Estas restrições são especialmente importantes quando a superfície medida não representa toda a secção.

Condições recozida, normalizada, temperada e revenida

Num aço recozido, o arrefecimento lento produz geralmente uma estrutura relativamente grosseira de ferrite–perlita, ou outra estrutura amaciada seleccionada para a maquinagem e a conformação. Uma impressão Brinell nesta condição examina um volume comparativamente grande que contém colónias de ferrite e perlita. A dureza resultante acompanha frequentemente a resistência à tração de forma razoavelmente fiável no seio de uma família restrita de aços de baixo teor de carbono, mas a relação continua a variar com o teor de carbono, a fracção de perlita, o espaçamento das colónias e o tamanho de grão. Um aço recozido de baixo teor de carbono e um aço recozido de teor de carbono mais elevado podem apresentar superfícies de ensaio visualmente semelhantes, mas diferentes relações entre resistência e dureza.

A normalização altera a comparação. O aquecimento acima do intervalo crítico, seguido de arrefecimento ao ar, produz normalmente ferrite e perlita mais finas do que o arrefecimento lento no forno. O refinamento do grão pode aumentar a tensão de cedência e a resistência à tração sem produzir o mesmo aumento proporcional da dureza por indentação. O estudo de 2023 publicado em Materials Today: Proceedings, sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos, identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços na condição bruta ou normalizada. Esse resultado apoia a estimativa prática dentro da população estudada; não torna a relação transferível para um aço ligado temperado e revenido ou para um componente endurecido superficialmente.

A têmpera cria martensite, frequentemente com austenite retida e tensões de transformação. A dureza pode aumentar acentuadamente porque o indentador encontra uma fase de elevada resistência e resistente ao corte, mas a resposta à tracção também depende do teor de carbono, do tamanho de grão da austenite prévia, da dissolução de carbonetos, da austenite retida e da susceptibilidade à fissuração. Um provete de SAE 1045 temperado e um provete de AISI 4140 temperado podem apresentar ambos um valor Rockwell C elevado, embora difiram na resistência à tração e na tenacidade. Os seus elementos de liga alteram a temperabilidade e a resposta ao revenido; por conseguinte, o mesmo HRC nominal não garante as mesmas propriedades de resistência à tração.

O revenido decompõe ou modifica a martensite, reduz as tensões residuais e altera a distribuição dos carbonetos. O revenido a baixa temperatura pode manter uma dureza elevada, aliviando simultaneamente parte das tensões de têmpera. O revenido a temperatura mais elevada reduz a dureza, mas pode melhorar a tenacidade e produzir uma relação entre resistência e dureza diferente da observada no estado temperado. Um veio de AISI 4140 temperado e revenido, por exemplo, deve ser comparado com dados de conversão relativos a uma liga e condição semelhantes, e não com uma tabela genérica para aços-carbono. Mesmo dentro de uma única qualidade, a temperatura e o tempo de revenido podem conduzir o material através de diferentes combinações de dureza, tensão de cedência, resistência à tração e alongamento.

O estudo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, indicou que a resistência à tração dos aços pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. “Frequentemente” é a palavra determinante. O resultado descreve uma população empírica, não uma lei física que se mantenha válida perante qualquer alteração do tratamento térmico. O relatório técnico da SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, salientou igualmente que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, uma vez que o tamanho, a massa, a composição e o processamento afectam a relação.

Endurecimento superficial e gradientes ao longo da espessura

A cementação, a nitruração e a têmpera por indução tornam um único valor de dureza ainda menos representativo. A cementação enriquece a superfície de um aço de baixo teor de carbono com carbono, seguindo-se a têmpera para formar uma camada cementada martensítica dura sobre um núcleo mais tenaz e de menor teor de carbono. Uma leitura superficial pode ser de 60 HRC ou superior, enquanto o núcleo é muito mais macio. Converter esse valor superficial em resistência à tração para todo o componente é um erro de categoria: o ensaio mede a camada cementada, não a secção resistente à carga enquanto material uniforme.

A nitruração produz uma zona de difusão enriquecida com azoto e, próximo da superfície, uma camada de compostos que contém nitretos de ferro, como ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N. A camada pode ser muito dura e fina. Os ensaios Rockwell ou Brinell convencionais podem ser inadequados, porque a sua penetração e zona plástica se estendem abaixo da região tratada; é frequentemente necessário um varrimento de micro-Vickers ou Knoop para caracterizar o perfil de dureza. Mesmo um valor de microindentação pode ser distorcido pelo substrato se a indentação for demasiado profunda em relação à espessura da camada.

Nível de dureza

A têmpera por indução cria uma zona martensítica endurecida cuja profundidade depende da frequência, da potência, da velocidade de varrimento, da geometria e das condições de têmpera. A dureza varia continuamente desde a superfície, atravessando a região de transição, até ao núcleo mais macio. Um valor declarado de “62 HRC” é incompleto se não forem indicados o local e a profundidade de medição. O mesmo componente pode produzir conversões diferentes à superfície, à profundidade efectiva da camada endurecida e no núcleo.

Estes gradientes também afectam a geometria da indentação. Uma indentação pouco profunda colocada sobre uma camada dura pode ser condicionada pelo material mais macio situado por baixo; uma indentação mais profunda calcula a média de várias regiões. A curvatura da superfície, a espessura da secção, a distância ao bordo e a massa da peça podem alterar o campo de tensões. As tabelas da ASTM E140-12 destinam-se aos intervalos de materiais e às condições de ensaio representados nas tabelas, e não a perfis arbitrários de camadas endurecidas superficialmente. O requisito da ISO 18265:2013 de que uma conversão só seja directamente aplicável ao material exacto ensaiado é particularmente relevante neste caso.

Estrutura dos grãos, fases e morfologia da indentação

A dureza é uma resistência local à indentação, não uma medição directa da resistência à tração. O indentador produz deformação elástica e plástica num volume finito. O tamanho de grão, a textura cristalográfica, os limites de fase, as inclusões, os carbonetos e as tensões residuais influenciam todos esse volume. Uma estrutura fina de ferrite–perlita pode distribuir a deformação de forma diferente de uma perlita grosseira. Bainite, martensite, ferrite, austenite retida e regiões ricas em carbonetos podem produzir valores médios de dureza semelhantes através de diferentes mecanismos de deformação.

As tensões compressivas residuais podem aumentar a resistência aparente à indentação, enquanto as tensões residuais de tracção podem reduzi-la ou promover a fissuração. Por conseguinte, queimaduras de rectificação, descarburação, granalhagem e danos de maquinagem podem alterar uma leitura superficial sem alterar as propriedades de resistência à tração do volume na mesma proporção. A localização da indentação também é importante: uma impressão sobre um carboneto de grandes dimensões, próxima de um limite de fase ou junto de uma indentação anterior pode não representar a matriz.

A morfologia da indentação constitui outro sinal de alerta. Os métodos Brinell e Vickers baseiam-se no tamanho e na forma de uma impressão permanente; os métodos Rockwell baseiam-se na profundidade de penetração. A acumulação de material em torno de uma indentação pode tornar a área de contacto menor do que a presumida por uma análise idealizada, enquanto o afundamento a torna maior. Em aços anisotrópicos, multifásicos ou com elevado endurecimento por deformação, estes efeitos alteram a relação entre a dureza e a tensão de escoamento. Um estudo revisto por pares, publicado em 2012 em Materials Science and Engineering: A, concluiu que as relações entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. Identificou a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, mas essa expressão é específica da classe de material e não uma equação universal para os aços.

Consequentemente, um relatório deve indicar a qualidade do aço, a condição do tratamento térmico, o método de ensaio, a escala, o local e qualquer informação relativa à profundidade da camada endurecida. Um valor medido como 245 HBW não é permutável com um valor convertido como 23 HRC, e nenhum dos dois corresponde automaticamente a uma resistência à tração estimada. Quando a aceitação, o risco de fractura ou o dimensionamento estrutural dependem das propriedades de resistência à tração, a resposta adequada é realizar um ensaio de tracção directo ou utilizar uma correlação validada e específica da qualidade e da condição do material — e não efectuar uma conversão sem fundamento a partir de um valor de dureza conveniente.

Relações de conversão entre Brinell, Rockwell e Vickers

As tabelas de conversão de dureza não tornam as medições HBW, HRC e HV intercambiáveis. Apresentam um valor estimado numa escala a partir de um valor medido noutra. Esta distinção é importante porque cada método utiliza um penetrador, uma força, uma geometria de contacto e um procedimento de cálculo diferentes. Um resultado Brinell como 220 HBW é medido a partir do diâmetro de uma impressão relativamente grande; 220 HBW convertido em 21 HRC é uma estimativa de tabela, não um segundo ensaio Rockwell.

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados. As tabelas relativas aos aços incluem aços-carbono homogéneos, aços ligados e aços para ferramentas. Esta ressalva é importante: a ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura granular e pelo tratamento térmico”. A ISO 18265:2013 estabelece igualmente princípios para a conversão entre escalas de dureza e para a estimativa da resistência à tração, mas afirma que os valores convertidos se aplicam diretamente apenas ao material exato ensaiado. Assim, uma tabela permite a comparação dentro do material e do intervalo nela especificados; não estabelece uma identidade física entre números de dureza.

Leitura das tabelas de HBW para HRC e de HRC para HBW

Comece por identificar o ensaio efetivamente realizado e a sua designação completa. HBW significa dureza Brinell medida com uma esfera de carboneto de tungsténio; o diâmetro da esfera e a força aplicada também podem ser indicados, como em 220 HBW 10/3000. HRC significa dureza Rockwell C, normalmente obtida com um cone de diamante e uma força total de 150 kgf segundo o procedimento Rockwell. Um simples “HB” ou “HR” é uma indicação incompleta para efeitos de relatório técnico, porque o material e o diâmetro da esfera, a escala Rockwell e a força de ensaio podem afetar o resultado.

Para converter 220 HBW em HRC, localize 220 na coluna HBW da tabela aplicável da ASTM E140-12 ou da ISO 18265:2013 e leia o valor correspondente na coluna HRC. Se a linha indicar 21 HRC, o relatório correto é aproximadamente 21 HRC convertido a partir de 220 HBW, e não simplesmente “21 HRC”, como se tivesse sido realizado um ensaio Rockwell C. A conversão inversa exige o mesmo rigor: comece pelo valor HRC medido, selecione a tabela correta para o aço e leia a estimativa correspondente em HBW. A consulta inversa não reproduzirá necessariamente o número original, porque a relação tabelada é arredondada e pode ter sido construída a partir de uma relação ajustada ou empírica, e não de uma equação reversível.

As entradas adjacentes não são equivalentes exatos. Suponha que uma tabela indique 210 HBW como 19 HRC e 230 HBW como 22 HRC. Um valor medido de 220 HBW situa-se entre essas linhas, mas não possui simultaneamente um valor preciso de 20,5 HRC e um valor Rockwell fisicamente verificado. A interpolação linear poderia produzir aproximadamente 20,5 HRC como auxílio ao relatório, se a norma aplicável permitir a interpolação nesse intervalo; contudo, o resultado continua a ser uma estimativa cuja incerteza inclui a dispersão da relação de conversão e a incerteza da medição original.

A classe do material deve corresponder à peça. Um aço 4140 temperado e revenido, com uma estrutura martensítica, não segue necessariamente a mesma relação HBW–HRC que um AISI 1020 normalizado, um AISI 1045 recozido ou um aço para ferramentas de elevado teor de carbono. A razão é mecânica, e não meramente tabelar: a resposta à indentação depende da tensão de cedência, do encruamento, da distribuição de carbonetos, da austenite retida, do tamanho de grão, das tensões residuais e da deformação em torno da impressão. O relatório de 1967 da SAE International, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, afirma que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição, o tratamento térmico e a peça de aço específicos, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação.

O ensaio Rockwell é rápido e conveniente para inspeções repetitivas, mas pode ser sensível a condições que uma impressão Brinell de grandes dimensões tende a determinar por média. As secções finas podem fletir ou permitir que o campo de tensões da impressão interaja com a superfície oposta. Uma amostra inadequadamente apoiada pode produzir um resultado falso. A seleção da escala também é importante: utilizar HRC quando HRB é a escala adequada, ou aplicar uma escala Rockwell superficial sem identificar a sua força e o seu penetrador, invalida a comparação. A carepa superficial, a descarbonetação, a rugosidade, a curvatura e um espaçamento insuficiente entre impressões podem alterar a leitura. Um valor HRC convertido não pode corrigir uma medição HBW incorreta nem compensar uma configuração Rockwell inadequada.

Quando Vickers proporciona uma ligação útil

A dureza Vickers, indicada como HV, com a força de ensaio identificada quando necessário, utiliza uma pirâmide de diamante e calcula a dureza a partir das duas diagonais da impressão. A sua geometria torna-a útil num intervalo de dureza mais amplo do que o de uma única escala Rockwell e em situações nas quais uma esfera Brinell é demasiado grande. Uma impressão Vickers pode ser utilizada para examinar uma camada endurecida fina, uma soldadura ou uma zona afetada pelo calor, uma região de uma fase individual ou uma secção fina, desde que a força, a preparação da superfície, o espaçamento entre impressões e a medição ótica cumpram o método aplicável.

A escala Vickers pode servir de ligação quando HBW e HRC são limitadas pelas próprias escalas. Por exemplo, uma camada cementada pode ser demasiado fina para uma impressão Brinell convencional e pode produzir resultados instáveis num ensaio Rockwell normalizado se a impressão penetrar para além da camada. Um perfil Vickers com baixa força pode mostrar o gradiente de dureza desde a superfície até ao núcleo. Esta informação é mais útil do que atribuir um único número HRC convertido a uma estrutura estratificada. O mesmo se aplica ao metal de soldadura e às zonas afetadas pelo calor, onde podem existir várias microestruturas numa extensão de poucos milímetros.

A escala Vickers não é automaticamente mais precisa. A medição das diagonais é afetada pelo acabamento superficial, pela resolução ótica, pelo julgamento do operador, pelo empilhamento ou afundamento do material em torno da impressão e pela força selecionada. Impressões muito pequenas amplificam o erro de medição. Um valor HV medido localmente pode também corresponder a um carboneto, a uma ilha de martensite ou a uma zona descarbonetada, em vez de representar o aço em massa abrangido por uma impressão Brinell. Por conseguinte, a conversão de HV para HRC ou HBW só é significativa quando a tabela abrange a classe de aço, o intervalo de dureza e as condições de força de ensaio relevantes.

As fórmulas que relacionam dureza e resistência exigem ainda mais cautela. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, demonstrando simultaneamente que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. Esta não é uma equação geral para aços-carbono e aços ligados. A ISO 18265:2013 identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis. Um estudo do NIST de 1929 concluiu que a resistência à tração dos aços pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas essa conclusão sustenta uma estimativa empírica controlada, e não uma substituição universal do ensaio de tração.

Limites de intervalo, interpolação e descontinuidades

Utilize uma conversão apenas dentro do intervalo de dureza e da categoria de material indicados na tabela. Se uma tabela terminar em 60 HRC, um valor medido de 64 HRC não deve ser extrapolado a partir das últimas linhas. Se a peça for de aço inoxidável endurecido por precipitação, mas a tabela abranger apenas aços-carbono homogéneos, aços ligados e aços para ferramentas, selecionar a linha de aparência mais próxima não torna a conversão válida. A designação do grau pode também ser insuficiente: os estados normalizado, recozido, temperado, revenido, cementado e encruado podem produzir relações diferentes com a mesma composição nominal.

A interpolação só é aceitável quando a norma ou um procedimento aprovado a permita e quando as entradas circundantes formem uma secção contínua adequada. Deve ser identificada como interpolação, com um arredondamento sensato que não sugira uma precisão sem suporte. Indicar 21,37 HRC a partir de uma tabela Brinell geralmente transmite mais certeza do que a fonte pode fornecer. Indique primeiro o valor medido, seguido do valor convertido e da referência, por exemplo: “220 HBW; aproximadamente 21 HRC convertido segundo a ASTM E140-12.”

Podem surgir descontinuidades quando uma tabela muda de classe de material, escala Rockwell, penetrador ou intervalo de dureza. Estas também podem refletir transições na mecânica da indentação, e não uma alteração abrupta no aço. Não suavize através desse tipo de limite nem faça a média de valores provenientes de tabelas distintas. Quando a aceitação depender das propriedades de tração, da profundidade da camada, da qualificação da soldadura ou de uma condição especificada do grau do material, realize o ensaio direto exigido. A conversão é uma ferramenta de comparação; não constitui prova de que o ensaio não realizado teria sido aprovado.

Dureza e resistência à tração: uma relação, não uma identidade

A dureza e a resistência à tração estão relacionadas porque ambas dependem da resistência de um metal à deformação plástica, mas não são propriedades intercambiáveis. Um ensaio de dureza produz uma pequena impressão num único local. Um ensaio de tração solicita uma amostra normalizada através de um volume muito maior, até ocorrerem a cedência, o escoamento plástico e a fratura. Assim, os dois ensaios abrangem volumes de material diferentes, impõem estados de tensão diferentes e produzem tipos de medição diferentes.

Um valor de dureza pode ser medido diretamente numa escala Vickers, Brinell, Rockwell, Knoop ou noutra escala. Um valor de dureza convertido é calculado a partir de uma escala medida diferente, utilizando uma relação publicada. Uma resistência à tração estimada constitui um passo adicional: infere uma propriedade de tração a partir da dureza. Cada passo acrescenta pressupostos e potenciais erros. Tratar uma resistência à tração estimada como se fosse o resultado de um ensaio de tração constitui uma prática de relatório inadequada, sobretudo quando uma especificação, um cálculo de projeto ou uma investigação de falha depende da tensão de cedência, da resistência à tração última ou do alongamento.

O que a dureza mede do ponto de vista mecânico

A dureza é a resistência à deformação plástica localizada. Num ensaio Vickers, uma pirâmide de diamante é pressionada contra a superfície com uma força especificada e, em seguida, medem-se as duas diagonais da impressão. O número de dureza Vickers, $H_{\mathrm{V}}$, é calculado a partir da força aplicada e da área projetada da impressão. Num ensaio Brinell, uma esfera de carboneto é pressionada contra o material e relaciona-se a força com o diâmetro da impressão resultante. O ensaio Rockwell mede, por sua vez, a profundidade de penetração sob cargas menor e maior definidas, sendo o resultado expresso numa escala especificada, como HRC ou HRB.

O penetrador cria um campo de tensões tridimensional complexo sob a zona de contacto. Esse campo inclui componentes de compressão, corte e tração, e o material próximo da impressão pode sofrer uma deformação plástica severa. A resposta medida é afetada pelo encruamento, pela recuperação elástica, pelo atrito, pela geometria do penetrador, pela preparação da superfície e pela dimensão da zona plasticamente deformada. Reflete também o material imediatamente abaixo da superfície ensaiada, não necessariamente as propriedades médias de toda a peça.

Este caráter local explica por que motivo a dureza é útil para verificar gradientes e efeitos do processamento. Uma camada martensítica temperada e revenida, uma superfície descarbonetada, uma zona termicamente afetada pela soldadura ou uma camada cementada podem apresentar um valor de dureza que difere acentuadamente do núcleo. O espaçamento entre impressões, a distância aos bordos, a espessura do provete, a curvatura e a rugosidade da superfície também podem distorcer o resultado. Um número de dureza sem a respetiva escala, método de ensaio, carga e condição é incompleto. “60” pode significar 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA ou aproximadamente 60 HV sob uma carga especificada; esses valores não são equivalentes.

A resistência à tração, por contraste, é a tensão nominal máxima atingida durante um ensaio de tração uniaxial. O provete é tracionado ao longo de um comprimento de referência, e a resistência à tração máxima comunicada, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, é calculada dividindo a carga máxima pela área da secção transversal original. O ensaio capta a deformação ao longo de um volume de referência relativamente grande e revela propriedades adicionais, incluindo o comportamento no escoamento, o alongamento uniforme, o alongamento total e a redução de área. Uma impressão de dureza não pode fornecer essas medições de deformação em tração.

A distinção é importante no caso de aços heterogéneos. Um ensaio de dureza superficial pode ser dominado por uma camada endurecida fina, mesmo quando o núcleo apresenta uma resistência à tração inferior. Inversamente, uma região de grão grosseiro, uma microestrutura bandeada, uma população de inclusões ou uma variação local do tratamento térmico podem influenciar um provete de tração de forma diferente de uma pequena impressão. A dureza e a resistência podem acompanhar-se mutuamente no âmbito de uma família de produção controlada, mas essa correspondência é um resultado empírico, não uma definição.

A relação aproximada $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$

Uma regra frequentemente repetida afirma:

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

Quando a dureza Vickers e a resistência à tração são expressas em unidades compatíveis, esta relação pode, por vezes, ser útil como comparação aproximada da ordem de grandeza. Por exemplo, um material com $H_{\mathrm{V}}=600$ pode estar associado a uma resistência à tração próxima de $2,000\text{MPa}$ segundo uma relação deste tipo. Esse cálculo não constitui um certificado do material e não deve ser apresentado como tal.

A relação foi identificada para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A indicou que a razão entre dureza e resistência depende da classe do material, da microestrutura e da morfologia da impressão. Essas ressalvas são decisivas. O fator três não é uma equação geral aplicável a todos os aços, a todas as escalas de dureza ou a todos os tratamentos térmicos. Não é válido simplesmente porque o valor medido é designado por dureza Vickers.

Do ponto de vista mecânico, a aproximação tem uma base plausível. A deformação plástica sob um penetrador exige uma tensão de escoamento representativa elevada, enquanto a resistência à tração reflete o nível de tensão atingido durante a deformação uniaxial e o encruamento. Numa classe restrita de materiais com uma relação consistente entre a pressão representativa de indentação, a tensão de escoamento e a resposta à tração, pode surgir uma razão aproximadamente constante. Se o mecanismo de deformação ou o comportamento de encruamento se alterar, a razão também se altera.

O mesmo grau de aço pode afastar-se da aproximação após diferentes rotas de processamento. A ferrite-perlite, a bainite, a martensite revenida e a martensite temperada não endurecem da mesma forma sob carga. A austenite retida, a distribuição de carbonetos, o tamanho de grão, as tensões residuais e a deformação prévia podem alterar a forma da impressão e a curva de tração. Um aço-ferramenta de elevado teor de carbono, um aço estrutural de baixo teor de carbono e um aço inoxidável austenítico podem apresentar razões diferentes entre dureza e resistência à tração, mesmo com valores nominais de dureza semelhantes.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

Os trabalhos empíricos publicados apoiam uma utilização limitada e específica de determinadas condições, e não uma substituição universal. Uma investigação publicada em Materials Today: Proceedings em 2023 encontrou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos, no estado bruto ou normalizado. Esse resultado é útil para essa população de materiais e condição. Não estabelece a mesma relação para aço ligado temperado e revenido, chapa trabalhada a frio, componentes endurecidos superficialmente ou peças soldadas.

As unidades também exigem cuidado. A dureza Vickers é convencionalmente apresentada como um número de dureza adimensional, embora esteja relacionada com força por unidade de área. A resistência à tração é normalmente expressa em MPa ou N/mm². Como $1{\text{kgf/mm}}^2$ corresponde aproximadamente a $9.807\text{MPa}$, a mistura descuidada das convenções de dureza com as unidades de tensão do SI pode produzir um erro próximo de uma ordem de grandeza. Um relatório sólido deve indicar a equação, as unidades, a população de materiais e a incerteza.

Por que motivo as estimativas da resistência à tração são as conversões menos fiáveis

A conversão entre escalas de dureza e a estimativa da resistência à tração não são tarefas equivalentes. A ASTM E140-12, Tabelas normalizadas de conversão de dureza para metais, apresenta relações aproximadas entre os valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços ligados e aços-ferramenta homogéneos. A ASTM International afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura do grão e pelo tratamento térmico”. As tabelas descrevem, portanto, populações empíricas definidas; não transformam todos os valores de dureza numa propriedade universal do material.

A ISO 18265:2013, Materiais metálicos — Conversão de valores de dureza, especifica princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. Adverte também que “os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado” e identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis. Essa classificação resulta da cadeia de inferências. Converter HRC em HV já pressupõe uma relação entre dois métodos de indentação. Estimar ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ a partir de qualquer um desses valores pressupõe adicionalmente uma relação entre a plasticidade localizada da indentação e a deformação uniaxial num volume elevado.

O estudo da NIST publicado em 1929 sobre relações empíricas Rockwell–Brinell observou que, nos aços, a resistência à tração pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. Trata-se de uma observação prática, não de uma declaração de identidade física. O termo “frequentemente” depende da população de aços, da condição e do erro admissível. A observação da NIST não elimina a necessidade de validar a relação com dados de tração relativos ao grau e à rota de processamento relevantes.

O relatório técnico da SAE Ensaios de dureza e conversões de números de dureza, publicado em 1967, tornou a mesma limitação mais explícita: devem ser desenvolvidas conversões precisas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, uma vez que o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação. Um forjamento espesso, uma banda fina e um pequeno pino tratado termicamente podem produzir correlações diferentes, mesmo quando os seus graus nominais são idênticos. A geometria altera o constrangimento em torno da impressão, enquanto a massa e a dimensão da secção influenciam a velocidade de arrefecimento e, consequentemente, a microestrutura.

Para decisões de aceitação, uma resistência à tração derivada da dureza deve ser identificada como uma estimativa e acompanhada da escala medida, da norma de ensaio, da localização, do grau do material, da condição do tratamento térmico, da população de calibração e da incerteza esperada. Se um desenho ou uma especificação do material exigir a resistência à tração, a evidência adequada é um ensaio de tração realizado segundo a norma aplicável, e não um valor convertido escolhido por parecer próximo do requisito. A dureza pode ser utilizada para fazer uma triagem, comparar e monitorizar. Por si só, não pode comprovar o comportamento completo à tração de uma peça de aço.

Geometria, Dimensões, Massa e Localização do Ensaio

Um valor de dureza descreve a resposta de um determinado volume de material sob um determinado penetrador. Não descreve apenas a composição. Dois provetes cortados do mesmo aço tratado termicamente podem produzir leituras diferentes quando um deles é fino, tem apoio insuficiente, é curvo, rugoso, descarbonetado ou é medido próximo de uma indentação anterior. O valor medido pode, portanto, variar, mesmo que a liga e o tratamento térmico não tenham mudado.

Isto é importante antes de se tentar qualquer conversão. Uma tabela de conversão pode relacionar uma medição Brinell, Rockwell ou Vickers válida com um valor aproximado noutra escala; não pode corrigir uma indentação distorcida por flexão, vibração, danos superficiais ou uma localização de ensaio inadequada. O relatório técnico da SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) salienta especificamente que devem ser desenvolvidas relações precisas para a composição do aço, o tratamento térmico e a peça em questão, uma vez que as dimensões, a massa, a composição e o processamento afetam o resultado.

Espessura mínima e distância aos bordos

O provete deve ter espessura suficiente para que a zona de deformação plástica sob a indentação não alcance a superfície oposta. Se isso acontecer, o material de apoio deixa de restringir a indentação da mesma forma que num provete maciço. O penetrador pode penetrar mais profundamente ou a geometria de contacto pode alterar-se, produzindo um valor de dureza inferior ou de algum outro modo enviesado relativamente ao de uma secção suficientemente espessa. A espessura mínima permitida depende da escala de dureza, do penetrador, da força aplicada e do intervalo de dureza; uma chapa fina adequada para ensaios Rockwell superficial pode não ser adequada para ensaios Rockwell normalizados ou Brinell.

As peças pequenas criam um problema relacionado. Um componente de baixa massa pode mover-se, inclinar-se ou deformar-se elasticamente sob a força de ensaio. Mesmo um pequeno deslocamento altera a profundidade de penetração num ensaio Rockwell e pode afetar a medição do diâmetro num ensaio Brinell. O dispositivo de fixação pode parecer firme, enquanto a própria peça se dobra. Flanges finas, nervuras estreitas e as paredes de secções ocas são especialmente sensíveis.

A distância a um bordo também é importante. Uma indentação colocada demasiado perto de um bordo dispõe de menos material circundante para resistir ao escoamento plástico. O material pode formar uma saliência em direção ao bordo livre, e a diagonal ou a profundidade de indentação medidas podem afastar-se do comportamento de uma indentação numa superfície sem restrições. A mesma questão se aplica a furos, ranhuras, rasgos de chaveta e alterações abruptas de secção. Uma leitura junto de uma ranhura maquinada não é automaticamente representativa da área plana adjacente.

As indentações próximas também podem interferir. A deformação plástica de uma indentação anterior deixa uma região localmente endurecida e deslocada. Se a indentação seguinte estiver demasiado próxima, a sua dimensão ou profundidade pode alterar-se. Os requisitos de espaçamento variam consoante o método e a dureza, pelo que deve prevalecer a norma aplicável, e não uma regra prática conveniente. Uma sequência de leituras colocadas muito próximas pode dar uma falsa impressão de repetibilidade, porque cada ensaio influencia o seguinte.

Apoio, curvatura e massa do componente

A bigorna de apoio faz parte do sistema de medição. Um apoio duro, estável e corretamente assente limita o movimento e fornece a força de reação necessária para uma indentação controlada. Um apoio complacente, carepa retida, uma rebarba, um fragmento de tinta ou um dispositivo de fixação irregular permitem uma acomodação local. O penetrador mede então a resposta combinada do aço, do apoio e de qualquer material existente entre ambos.

A vibração tem um efeito semelhante. A realização de ensaios junto de uma prensa, de uma rebarbadora ou de uma máquina-ferramenta pode perturbar a aplicação da força ou a medição da profundidade. Num componente leve, a vibração pode ser amplificada pela própria flexibilidade da peça. Uma leitura obtida num bloco maciço e outra obtida num componente fino apoiado num dispositivo de fixação flexível não são equivalentes simplesmente porque ambas utilizam a mesma escala Rockwell.

A curvatura altera a geometria de contacto. Numa superfície convexa, o penetrador contacta uma quantidade menor de material circundante do que contactaria numa superfície plana, e a superfície pode fletir para longe da carga. Numa superfície côncava, o acesso e o alinhamento podem ser igualmente problemáticos. O raio de curvatura relativamente à dimensão da indentação é importante: uma curva ampla e pouco pronunciada pode ter pouco efeito, enquanto um veio ou tubo de pequeno raio pode produzir um enviesamento substancial. O penetrador deve estar normal à superfície local, e não simplesmente alinhado com o componente como um todo.

As peças cilíndricas também levantam questões quanto à localização. Uma leitura no topo de um veio, junto à sua face lateral ou numa zona de ensaio aplanada pode representar diferentes condições de restrição. Se for maquinada uma zona plana para o ensaio, a sua remoção pode expor uma profundidade diferente e deixar de representar a superfície de serviço. O relatório de ensaio deve identificar a localização, a orientação, a espessura da secção e a condição de apoio, para que as leituras posteriores possam ser comparadas de forma significativa.

Estas restrições aplicam-se, com importância acrescida, às estimativas convertidas de dureza e de resistência. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços ao carbono, ligados e para ferramentas homogéneos. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico”. Um erro induzido pela geometria não é eliminado pela seleção de uma coluna diferente nessa tabela.

Preparação da superfície e descarbonetação

O estado da superfície pode alterar o resultado antes de o penetrador atingir um aço representativo. Carepa de óxido, ferrugem, revestimentos, tinta, marcas de maquinação e rugosidade superficial interferem com o assentamento e com a medição ótica de uma impressão Brinell ou Vickers. Uma superfície rugosa pode dificultar a localização dos bordos de uma pequena indentação, enquanto um fragmento de óxido solto pode colapsar sob a carga. O método de preparação deve remover a contaminação sem alterar o estado metalúrgico que está a ser medido.

A retificação não é automaticamente inofensiva. Uma retificação intensa pode gerar uma camada afetada pelo calor, revenido local, tensões residuais ou uma camada superficial endurecida por deformação. Uma pressão excessiva pode criar uma superfície mais dura ou mais macia do que o material subjacente. O arrefecimento, os cortes ligeiros e uma remoção de material adequada ajudam a reduzir este risco, mas a profundidade necessária depende do processo e do componente. Uma superfície polida pode melhorar a medição ótica e, ainda assim, representar material danificado se a preparação tiver sido demasiado agressiva.

O tratamento térmico também pode criar gradientes de dureza intencionais ou acidentais. Uma camada cementada é mais dura do que o seu núcleo de baixo teor de carbono, e uma indentação pouco profunda pode medir apenas a camada. À medida que a indentação se torna maior ou mais profunda, o substrato mais macio começa a influenciar o resultado. Uma conversão baseada em aço homogéneo torna-se então inadequada. A descarbonetação tem o efeito oposto: o aquecimento numa atmosfera descarbonetante pode remover carbono da superfície, deixando uma camada macia sobre aço mais duro. Consequentemente, um ensaio de dureza superficial pode reprovar uma especificação mesmo quando o interior a cumpre, ou parecer aceitável se a força de ensaio penetrar para além da camada.

As medições locais exigem ainda mais cuidado. O metal de soldadura, a linha de fusão e a zona afetada pelo calor podem conter microestruturas e gradientes de dureza diferentes em distâncias muito curtas. Uma impressão Brinell convencional pode ser demasiado grande para isolar uma única zona, enquanto um ensaio micro-Vickers ou Knoop pode resolver o gradiente, mas exige uma preparação e um controlo do espaçamento melhores. O relatório deve indicar se o valor provém do metal de soldadura, da zona afetada pelo calor (ZAC), do metal de base não afetado ou de uma distância especificada em relação à linha de fusão.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão entre escalas de dureza e para a estimativa da resistência à tração, mas declara que os valores convertidos se aplicam diretamente apenas ao material exato ensaiado e identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis. O estudo da NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell (1929) concluiu que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais; essa conclusão não transforma uma leitura superficial obtida numa peça curva e descarbonetada num ensaio de tração. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns metais dúcteis de elevada resistência, demonstrando simultaneamente que a razão depende da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. A geometria e a preparação devem ser controladas primeiro. Caso contrário, a conversão acrescenta uma precisão aparente a uma medição que nunca representou o volume de material pretendido.

Gradientes de dureza, profundidade da camada endurecida e aço soldado ou processado

Uma conversão de dureza torna-se especialmente incerta quando a dureza varia ao longo de alguns décimos de milímetro. Os aços cementados, nitrurados, endurecidos por indução, processados por laser, soldados e fabricados por adição podem conter várias regiões microestruturais no espaço ocupado por uma única impressão ou no intervalo utilizado numa inspeção de rotina. Uma “resistência à tração convertida” comunicada nestas condições transmite uma falsa impressão de uniformidade. Pode descrever apenas a superfície ensaiada, uma impressão influenciada por duas zonas ou uma média que oculta a região que controla a fissuração, o desgaste ou a deformação.

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals (2012), apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços homogéneos ao carbono, ligados e para ferramentas. A sua advertência é central neste contexto: “As conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico.” Um gradiente acrescenta outra variável: a localização. A ISO 18265:2013 estabelece que os valores convertidos só são diretamente aplicáveis ao material exato ensaiado, sendo as estimativas da resistência à tração o tipo de conversão menos fiável. Um valor local de dureza pode, portanto, ser útil para verificar um processo sem constituir uma estimativa defensável da resistência à tração global da peça.

Perfis de endurecimento superficial

A cementação cria uma superfície enriquecida em carbono que, após a têmpera, normalmente se transforma em martensite de alto teor de carbono, enquanto o núcleo, com menor teor de carbono, mantém uma resposta de temperabilidade e uma tenacidade diferentes. A nitruração produz uma camada de compostos e uma zona de difusão cuja dureza diminui com a profundidade; o perfil depende da composição química do aço, do potencial de nitruração, da temperatura, do tempo e do revenido prévio. O endurecimento por indução produz uma camada martensítica temperada rapidamente sobre uma região de transição e um núcleo mais macio. O endurecimento ou a liga por laser podem criar zonas ainda mais estreitas e de geometria irregular, especialmente quando variam a sobreposição das passagens, a velocidade de arrefecimento ou a diluição.

A dureza superficial e a dureza do núcleo respondem a perguntas diferentes. Uma medição próxima da superfície pode verificar se uma camada cementada atingiu a dureza especificada, mas não pode substituir as propriedades de tração do núcleo de baixo teor de carbono. Inversamente, uma medição no núcleo diz pouco sobre a resistência à fadiga de contacto ou ao desgaste adesivo na superfície de trabalho. Um único resultado Rockwell C numa camada fina é particularmente vulnerável à influência do substrato: o campo de deformação estende-se abaixo da camada endurecida, pelo que o núcleo mais macio pode reduzir o valor aparente. Uma curvatura superficial excessiva, um suporte insuficiente ou uma camada de compostos rugosa podem acrescentar erros adicionais.

Um perfil é normalmente obtido preparando uma secção transversal, polindo-a cuidadosamente e efetuando impressões Vickers a profundidades medidas a partir da superfície. A carga de ensaio deve produzir impressões suficientemente grandes para serem medidas de forma fiável, mas suficientemente pequenas para resolver o gradiente. Impressões demasiado afastadas não detetam a transição; impressões demasiado próximas interagem através da sobreposição dos campos de deformação plástica. A ISO 6507-1 e a ASTM E384 especificam requisitos para os ensaios Vickers e Knoop, incluindo limites relacionados com o espaçamento, os bordos e a medição. A norma aplicável e a força de ensaio devem ser registadas, em vez de se comunicar simplesmente “microdureza”.

A profundidade da camada endurecida não corresponde apenas à profundidade do ponto de maior dureza. A profundidade efetiva da camada é geralmente definida como a profundidade à qual a dureza desce até um valor-limite especificado, mas esse valor-limite depende da especificação do produto, do aço e do método. Um relatório válido deve identificar a preparação da superfície, a força de ensaio, o tipo de penetrador, a origem da profundidade, o espaçamento entre impressões, a escala de dureza e o critério utilizado para a profundidade efetiva. Uma curva de aspeto regular não elimina a incerteza; a dispersão pode refletir a distribuição de carbonetos, a austenite retida, a descarbonetação local ou a resolução da medição.

Metal de soldadura e zonas termicamente afetadas

Uma secção transversal de uma soldadura é uma sequência de zonas, e não um único material. O metal de soldadura produzido por fusão pode diferir da chapa de base em composição e estrutura de solidificação. Imediatamente adjacente, a zona termicamente afetada (ZTA) pode conter regiões de grão grosseiro, de grão fino, intercrítica e subcrítica. Nos aços ao carbono e de baixa liga, uma ZTA de grão grosseiro arrefecida rapidamente pode formar martensite ou bainite duras, enquanto uma região revenida ou intercrítica pode ser mais macia e suscetível a amaciamento local. O reforço da soldadura, a raiz, a fronteira de fusão e o metal de base não afetado podem produzir leituras diferentes.

A posição da impressão é importante. Uma impressão centrada na fronteira de fusão pode amostrar um campo de deformação misto do metal de soldadura e da ZTA, pelo que o seu valor não pode ser atribuído com segurança a nenhuma das zonas. A primeira impressão deve estar suficientemente afastada da linha de fusão e do bordo do provete para cumprir a norma de ensaio aplicável, mas a fila deve, ainda assim, estar suficientemente próxima para resolver a zona mais estreita. Um mapa prático utiliza uma grelha ou um percurso documentado, com um espaçamento menor através da fronteira de fusão e das transições de dureza do que no metal de base uniforme. O espaçamento exato deve seguir o método selecionado e a especificação de aceitação; não deve ser escolhido apenas por conveniência.

A dureza da soldadura é frequentemente verificada para controlo do processo, avaliação do risco de fissuração por hidrogénio ou confirmação de um procedimento de soldadura qualificado. Essa finalidade não a transforma num ensaio de tração. Uma dureza local elevada na ZTA pode indicar uma estrutura martensítica e uma maior suscetibilidade à fissuração, enquanto um valor baixo pode indicar revenido excessivo ou perda de resistência. Nenhum destes resultados estabelece a resistência à tração de toda a junta soldada. A resistência da junta depende também da geometria da soldadura, dos defeitos, das tensões residuais, do grau de restrição, da tenacidade e da região local mais fraca.

Mapeamento da dureza local sem médias enganosas

O mapeamento da dureza deve preservar a localização, em vez de reduzir todas as leituras a uma única média. Registe as coordenadas a partir de uma superfície de referência ou da linha central da soldadura, identifique a zona microestrutural e apresente os valores individuais ou um perfil de profundidade representado graficamente. A média pode ocultar um máximo ou mínimo estreito: dez leituras no metal de base macio podem sobrepor-se a duas leituras críticas numa ZTA frágil. Se for necessária uma média, comunique conjuntamente o intervalo, o desvio-padrão, o número de leituras e as regras de exclusão.

O mesmo princípio aplica-se a pistas processadas por laser e a aços fabricados por adição. As fronteiras das poças de fusão, as interfaces entre camadas, as rotações de varrimento, os defeitos de falta de fusão, a porosidade e as bandas reaquecidas podem produzir uma dureza dependente da direção. Uma grelha superficial pode não detetar uma banda subsuperficial; uma secção transversal pode não detetar a variação ao longo do percurso de varrimento. Por conseguinte, quando for plausível a existência de anisotropia, as medições devem acompanhar a geometria do processo em mais do que uma direção.

A dureza medida diretamente continua a ser o resultado principal. Um valor Brinell, Rockwell ou Vickers convertido deve ser identificado como convertido e associado à tabela especificada, à condição do material e ao local do ensaio. O estudo do NIST de 1929 concluiu que a resistência à tração dos aços podia frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, e um estudo de 2023 encontrou uma relação Brinell geralmente linear para aços estruturais não ligados em condições brutas ou normalizadas. Essas conclusões não validam a conversão de uma camada endurecida, de uma ZTA ou de uma superfície processada por adição numa resistência à tração global. Mesmo a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS, comunicada num estudo de 2012 da Materials Science and Engineering: A, aplica-se a alguns materiais metálicos de elevada resistência e dúcteis, e não a todos os aços ou microestruturas. Quando o projeto, a aceitação ou a avaliação de falhas dependerem das propriedades de tração, deve ser realizado um ensaio de tração em material representativo.

Como escolher uma conversão para um determinado aço

Uma conversão de dureza deve começar pelo resultado medido, e não pelo número exigido por uma especificação. Registe a escala original exatamente — por exemplo, 220 HBW, 32 HRC, 410 HV ou 72 HRA — juntamente com o método de ensaio, o indentador, a força de ensaio, a preparação da superfície e o local de medição. “Dureza” sem uma escala é informação incompleta. Um valor convertido não é uma segunda medição; é uma estimativa produzida a partir de uma relação empírica.

Identificar o grau, a forma do produto e o estado

Comece por identificar o aço com a maior precisão permitida pelos registos disponíveis. Uma designação como AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 ou ASTM A681 W1 descreve uma família de materiais, mas não estabelece, por si só, a relação de dureza. A composição química dentro dos limites de uma especificação pode alterar a resposta à indentação, e dois produtos com o mesmo grau nominal podem apresentar diferentes distribuições de carbono, tamanhos de grão, inclusões ou fases retidas.

Registe a forma do produto: chapa, folha, barra, fio, tubo, peça forjada, peça fundida, estrutura soldada ou componente maquinado. A espessura e a dimensão local da secção são importantes, porque a indentação tem de ser suportada por uma quantidade suficiente de material. Uma indentação Brinell numa peça forjada espessa de aço 4140 analisa um volume maior do que uma impressão Vickers próxima da superfície de uma folha de 1 mm. Os dois resultados podem não representar a mesma região microestrutural, mesmo que ambos sejam apresentados como valores de dureza.

O estado do material é igualmente importante. Indique se o material está recozido, normalizado, temperado e revenido, submetido a tratamento de precipitação, encruado, cementado, nitrurado, endurecido por indução ou sujeito a qualquer outro tratamento superficial. Por exemplo, o AISI 1045 normalizado e o AISI 1045 temperado e revenido podem apresentar estruturas ferrítico-perlíticas ou martensíticas diferentes e, por conseguinte, relações diferentes entre dureza e resistência à tração. Um componente de AISI 8620 cementado pode apresentar elevada dureza superficial, enquanto o seu núcleo permanece muito mais macio. Uma conversão baseada num aço homogéneo não constitui uma descrição adequada desse gradiente.

O registo deve também indicar se o ensaio foi realizado numa superfície retificada, polida, descarbonetada, oxidada, revestida ou submetida a granalhagem. As camadas superficiais podem dominar o resultado de um ensaio Vickers, Knoop ou Rockwell superficial com pequena profundidade. Em contrapartida, uma impressão Brinell de grandes dimensões pode calcular a média da camada superficial juntamente com o núcleo subjacente. Se o local de medição estiver próximo de uma soldadura, zona afetada pelo calor, aresta, furo ou dobra, essa localização deve constar do resultado.

A ASTM E140-12, Tabelas normalizadas de conversão de dureza para metais, afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura do grão e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Esta advertência é uma regra de seleção, não apenas uma ressalva geral. Uma entrada de tabela para aços-carbono, aços ligados ou aços-ferramenta homogéneos não deve ser aplicada automaticamente a uma camada endurecida superficialmente, a uma microestrutura duplex ou a uma zona de soldadura.

Fazer corresponder as escalas original e de destino

Em seguida, determine o que o valor de destino deve comunicar. Converter 32 HRC para aproximadamente 300 HBW é uma comparação entre escalas. Converter 32 HRC para uma resistência à tração estimada é uma operação diferente e menos fiável. O primeiro resultado deve ser apresentado como dureza convertida; o segundo deve ser apresentado como resistência à tração estimada, indicando a sua base e as suas limitações.

Escolha a escala de ensaio com base na geometria e no estado do material antes de escolher uma tabela de conversão. O ensaio Brinell, especificado pela ASTM E10 ou pela ISO 6506-1, é frequentemente adequado para aço suficientemente espesso e relativamente homogéneo, porque a sua impressão de maiores dimensões calcula a média das variações locais. É pouco adequado para uma secção estreita, uma parede fina, um raio pequeno ou uma superfície próxima de uma aresta. As escalas Rockwell, abrangidas pela ASTM E18 ou pela ISO 6508-1, proporcionam resultados rápidos, mas a escala selecionada deve ser adequada à dureza e à espessura do material. A Rockwell C não é um substituto geral para todos os ensaios de aço; os aços mais macios podem exigir a Rockwell B, enquanto as secções finas ou as camadas endurecidas pouco profundas podem exigir uma escala Rockwell superficial.

O ensaio Vickers segundo a ASTM E384 ou a ISO 6507-1 é útil quando a área disponível é pequena ou quando é necessário determinar a dureza ao longo da profundidade de uma camada cementada ou através de uma soldadura. O ensaio Knoop pode ser preferível para camadas muito finas ou regiões estreitas, porque a sua impressão alongada permite uma medição localizada. O ensaio portátil Leeb pode ser útil para componentes de grandes dimensões que não possam ser levados até uma máquina fixa, mas o estado da superfície, a massa do componente, a curvatura, o apoio, a direção do impacto e a calibração afetam o resultado. Por conseguinte, uma conversão de Leeb para Rockwell deve estar associada ao dispositivo Leeb autorizado e à classe do material, não devendo ser tratada como intercambiável com um ensaio Rockwell direto.

A mecânica da indentação também limita a comparação. As diferentes escalas utilizam formas de indentador e forças diferentes, produzindo zonas plásticas distintas. Uma conversão só é válida na medida em que o aço ensaiado se comporta como os materiais utilizados para estabelecer a relação. Um valor de dureza elevado próximo do limite superior de uma escala pode não ser convertido de forma fiável para outra escala, mesmo quando ambas as leituras se encontram tecnicamente dentro dos respetivos intervalos nominais.

A relação entre dureza e resistência à tração é especialmente condicionada. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, mas também indicou que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. A expressão não é uma equação universal para os aços. Do mesmo modo, um estudo de 2023 sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos encontrou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços no estado bruto ou normalizado. Essa conclusão não estabelece a mesma relação para o 4340 temperado e revenido, o 4140 nitrurado ou um aço-ferramenta martensítico.

Verificar o âmbito e o intervalo da norma

Depois de identificar o material e selecionar as escalas, leia o âmbito e as notas da norma aplicável. A ASTM E140-12 apresenta relações aproximadas entre valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços ligados e aços-ferramenta homogéneos. A tabela deve abranger tanto a categoria relevante do material como o intervalo de dureza medido. Não extrapole para além dos seus limites apenas porque a tendência numérica parece regular.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. Afirma que os valores convertidos só são diretamente aplicáveis ao material exato ensaiado e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos fiáveis. Por esse motivo, o grau, o estado e o historial do produto constituem elementos essenciais quando é citada uma tabela ISO.

As tabelas publicadas são mais defensáveis quando o aço é quimicamente e metalurgicamente semelhante à população subjacente à tabela, o ensaio se encontra claramente dentro do intervalo indicado, a geometria do provete satisfaz o método original e o resultado não está a ser utilizado como certificado de propriedades de tração. Uma conversão tabelada pode ser adequada para o controlo do processo ou para uma comparação preliminar. Por si só, não é adequada quando um contrato, uma avaliação de segurança ou um cálculo de projeto depende da tensão de cedência, da resistência máxima à tração ou do comportamento à fratura.

Para decisões críticas, realize uma correlação laboratorial. Ensaie peças representativas — ou provetes adjacentes da mesma corrida, forma do produto, espessura e lote de tratamento térmico — utilizando o método de dureza original e o método de destino pretendido ou um ensaio de tração. As medições emparelhadas devem abranger o intervalo real de funcionamento, incluir leituras repetidas e ser analisadas com limites de previsão, e não apenas com uma única reta ajustada. O relatório técnico da SAE Ensaios de dureza e conversões de números de dureza (1967) explicita o ponto central: para obter conversões precisas, estas devem ser desenvolvidas para a composição do aço, o tratamento térmico e a peça específicos, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação. Um estudo do NIST de 1929 concluiu que a resistência à tração do aço podia frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas esse resultado sustenta uma estimativa prática, não uma lei universal.

Apresente primeiro o valor original medido, seguido do valor convertido, da tabela ou do modelo utilizado, do estado do material e de uma incerteza ou ressalva. Por exemplo: “Medição: 32 HRC; aproximadamente 302 HBW, utilizando a ASTM E140-12 para aço ligado, sujeito ao intervalo da tabela e às limitações do material.” Se a resistência à tração for inferida, identifique-a explicitamente como estimada. Quando a propriedade controlar a aceitação ou o projeto, realize o próprio ensaio de tração.

Validação, Incerteza e Decisões de Aceitação

Uma conversão de dureza só é defensável quando a sua base é semelhante ao material que está a ser avaliado. A comparação relevante não é entre um valor de dureza isolado e um valor de tabela; é entre a dureza medida e o comportamento medido à tração de um material que partilhe o mesmo grau, tratamento térmico, dimensão da secção e historial de fabrico. Uma conversão desenvolvida a partir de uma chapa normalizada não deve ser aplicada automaticamente a uma barra temperada e revenida, a uma chapa submetida a trabalho a frio, a peças cementadas ou a material afetado por soldadura, mesmo quando o grau químico nominal é idêntico.

Ensaios emparelhados e regressão

A validação começa com provetes emparelhados ou localizações emparelhadas de material representativo. Meça a dureza utilizando o método especificado — como Brinell, Rockwell ou Vickers — e realize ensaios de tração de acordo com a norma de tração aplicável, utilizando material proveniente da mesma corrida, forma de produto, orientação, intervalo de espessura e percurso de processamento. O plano de ensaio deve preservar a condição relevante em serviço: uma barra de 42CrMo4 no estado temperado e revenido não é adequadamente representada por 42CrMo4 recozido não relacionado, e uma chapa ASTM A36 não deve ser agrupada com um grau estrutural normalizado de maior resistência apenas porque ambos são aços ao carbono.

O procedimento de medição da dureza deve ser controlado antes de ajustar qualquer relação. Registe a escala, o penetrador, a força de ensaio, o tempo de permanência, a preparação da superfície, o espaçamento entre ensaios e a distância aos bordos ou à curvatura. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, abrange relações aproximadas entre valores de dureza Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços homogéneos ao carbono, ligados e para ferramentas. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura do grão e pelo tratamento térmico”. Esta afirmação constitui uma limitação da tabela, e não uma mera ressalva secundária.

Intervalo de previsãoIntervalo de previsão Intervalo que exprime a amplitude esperada para um resultado individual futuro, incluindo tanto a incerteza do modelo como a dispersão entre materiais.

Pode então estabelecer-se uma regressão entre as grandezas medidas. Dependendo dos dados, um modelo linear pode ser adequado num intervalo limitado:

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

em que $R_m$ é a resistência à tração medida e $H$ é a dureza medida numa escala especificada. Pode ser necessário um modelo não linear, um modelo específico para o grau ou modelos separados para diferentes tratamentos térmicos. O modelo deve ser ajustado a observações emparelhadas, e não a valores de dureza copiados de uma tabela de conversão. Apresente o número de corridas, o número de provetes por corrida, o intervalo de dureza, o intervalo de resistência à tração, as estimativas dos coeficientes, o desvio-padrão residual, e os intervalos de confiança para a média ajustada e para uma previsão individual.

A distinção entre esses intervalos é importante. Um intervalo de confiança em torno da resistência à tração média prevista descreve a incerteza da relação média estimada. Um intervalo de previsão individual inclui também a dispersão entre provetes, pelo que é mais amplo. As decisões de aceitação dizem respeito ao material individual, e não a uma média abstrata. Uma linha de regressão estreita pode, por conseguinte, coexistir com um intervalo de previsão demasiado amplo para sustentar um limite de especificação.

O viés deve ser verificado separadamente da dispersão. Se a resistência à tração convertida for consistentemente superior aos resultados diretos de tração, a conversão apresenta viés positivo e pode aceitar erradamente material de baixa resistência. Compare os resíduos em função da dureza, da corrida, da espessura da secção, da orientação e do lote de tratamento térmico. Um gráfico de resíduos pode revelar curvatura, variância variável ou um agrupamento associado a uma carga específica do forno. Um único coeficiente de correlação global não revelará esses efeitos.

Os valores discrepantes exigem investigação, e não eliminação automática. Um resultado extremo pode dever-se a uma indentação mal localizada, a uma preparação inadequada da superfície, a um defeito do provete de tração, a um erro de transcrição ou a segregação e variação microestrutural genuínas. A sua exclusão só é justificada mediante uma razão técnica documentada e, quando possível, um ensaio repetido. Caso contrário, o valor discrepante faz parte da relação que o procedimento de aceitação deve conseguir suportar.

A evidência histórica explica por que razão os modelos restritos podem funcionar. Um estudo de 2023 publicado em Materials Today: Proceedings encontrou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados, históricos e contemporâneos, no estado bruto ou normalizado. Essa conclusão não estabelece a mesma reta para aços ligados, temperados e revenidos, endurecidos por precipitação, cementados ou submetidos a trabalho a frio intenso. Do mesmo modo, um estudo do NIST de 1929 indicou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas uma estimativa útil para triagem não constitui uma lei universal dos materiais.

Repetibilidade, reprodutibilidade e incerteza

A repetibilidade descreve a variação quando o mesmo operador utiliza o mesmo instrumento e método em localizações suficientemente semelhantes, sob condições estreitamente controladas. A reprodutibilidade é mais abrangente: inclui alterações de operador, instrumento, laboratório, dia ou configuração do ensaio. Estes componentes não devem ser confundidos com a dispersão da relação entre dureza e resistência.

Por exemplo, cinco indentações Vickers repetidas podem apresentar pouca variação, indicando boa repetibilidade, enquanto os resultados diretos de tração de provetes nominalmente semelhantes variam substancialmente devido ao espaçamento ferrite-perlite, ao revenido da martensite, à bandagem, às inclusões ou à segregação local. Inversamente, um material estável pode apresentar fraca repetibilidade porque a superfície é rugosa, a peça é demasiado fina, a indentação está demasiado próxima de um bordo ou o penetrador ou a verificação da força apresenta defeitos. O primeiro problema pertence ao modelo de conversão; o segundo pertence principalmente ao sistema de medição.

Um orçamento de incerteza deve incluir a calibração, a resolução do instrumento, os efeitos do operador e do laboratório, os efeitos da superfície e da geometria, a amostragem e a variação residual da relação empírica. Um resultado convertido não é, portanto, simplesmente “dureza medida ± incerteza do instrumento”. Contém também a incerteza da própria conversão. A ISO 18265:2013 especifica princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração, advertindo que “os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado”. Identifica igualmente as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis.

A amostragem domina frequentemente o resultado. Uma indentação de dureza amostra um pequeno volume, enquanto um provete de tração amostra um volume muito maior e com orientação diferente. Várias leituras realizadas numa única superfície conveniente não representam uma peça forjada, chapa, conjunto soldado ou bobina inteiros. A amostragem deve abranger as corridas, localizações, espessuras e orientações que o processo de produção pode gerar. Se uma relação for validada apenas em material da linha central, não deve reger silenciosamente regiões endurecidas superficialmente ou descarbonetadas.

A mesma cautela se aplica a fórmulas simples. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência. A razão entre dureza e resistência depende, contudo, da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. Tratar essa expressão como uma equação geral para aços pode produzir um resultado aparentemente preciso, sem uma declaração de incerteza defensável.

Quando a conversão não é adequada para aceitação

A conversão não é adequada quando a especificação exige resistência à tração e a conversão não foi validada para o produto e estado exatos. Os ensaios diretos de tração, realizados segundo a norma do material aplicável, devem prevalecer sempre que a aceitação dependa da tensão de cedência, da resistência à tração, do alongamento, da redução de área ou de uma propriedade de tração relacionada. Um valor convertido pode apoiar o controlo do processo, a triagem ou a investigação, mas não deve substituir o ensaio de aceitação apenas porque a medição da dureza é mais rápida.

É necessária particular cautela junto de um limite de especificação. Suponha que uma norma de material exige uma resistência à tração mínima de resistência à tração $R_m$, e que uma tabela de dureza produz um equivalente aparentemente exato. A tabela não transforma esse mínimo num limite exato de dureza. O arredondamento, o viés do modelo, a incerteza da previsão e a variação da amostragem podem deslocar o material para um ou outro lado do limite. Um valor de dureza marginalmente superior ao limiar convertido pode, por conseguinte, ter uma probabilidade significativa de não cumprir o requisito de tração direta; um valor marginalmente inferior pode não comprovar a não conformidade.

A norma aplicável também determina se a conversão é permitida. A ISO 18265:2013 e a ASTM E140-12 fornecem princípios ou relações tabuladas aproximadas, e não uma autorização geral para substituir um ensaio por outro. O relatório técnico SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, salienta igualmente que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, uma vez que o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação.

Os procedimentos de aceitação devem indicar se o valor comunicado corresponde a dureza medida, dureza convertida ou resistência à tração estimada. Essas designações não devem ser confundidas. Se uma conversão de triagem indicar uma possível não conformidade, deve ser realizado o ensaio direto especificado ou uma investigação aprovada. Se não estiverem disponíveis resultados de tração, comunique a conversão juntamente com a sua fonte, âmbito de aplicação ao material, incerteza e limitações, em vez de a apresentar como uma propriedade de tração garantida.

Erros comuns nas tabelas de conversão de dureza

As tabelas de conversão de dureza só são úteis quando o valor medido, o material, a condição e o método de ensaio se enquadram na base da tabela. Um resultado convertido não é uma segunda medição. É uma estimativa derivada de uma relação empírica, normalmente com uma dispersão que aumenta quando o material ou as condições de ensaio diferem dos utilizados para estabelecer essa relação.

A ASTM E140-12, Tabelas normalizadas de conversão de dureza para metais, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados. O seu âmbito inclui aços-carbono homogéneos, aços ligados e aços para ferramentas, mas as tabelas não eliminam as diferenças entre essas classes. A ASTM afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). A ISO 18265:2013 salienta o mesmo ponto prático: os valores convertidos só são diretamente aplicáveis ao material exato ensaiado, enquanto as estimativas da resistência à tração constituem o tipo de conversão menos fiável (ISO, 2013).

Tratar números equivalentes como intercambiáveis

Uma entrada de tabela como 40 HRC ≈ 375 HBW não significa que uma leitura de 40 HRC e uma leitura de 375 HBW sejam factos intercambiáveis. A primeira é um resultado medido na escala Rockwell C, obtido com um penetrador cónico de diamante, uma carga menor especificada e uma carga maior especificada. A segunda é um valor Brinell associado a uma esfera de carboneto, a uma força definida e a um diâmetro de indentação. São estimativas relacionadas, não observações duplicadas.

Esta distinção é importante nos registos de inspeção. Se um desenho exigir 35–40 HRC, um resultado Brinell convertido para esse intervalo pode apoiar uma triagem preliminar, mas não satisfaz necessariamente um requisito redigido para um ensaio Rockwell C. A conversão pode ocultar uma diferença causada pela profundidade da indentação, pela microestrutura local, pelo estado da superfície ou pela dispersão do ensaio. Uma medição direta de HRC é a evidência adequada quando o método de aceitação especificado é Rockwell C.

O erro inverso também é comum: um utilizador converte HRC para HBW fora do intervalo da tabela e comunica o número extrapolado como se estivesse tabelado. Uma relação calibrada, por exemplo, entre 20 e 50 HRC não deve ser prolongada casualmente até uma superfície de aço para ferramentas com 62 HRC. A durezas elevadas, a mecânica da indentação e as populações de carbonetos podem alterar acentuadamente a relação. Os extremos da tabela não são limites exatos do material; são os limites dos dados publicados ou da correlação recomendada. Um valor ligeiramente além de um extremo não é automaticamente inválido, mas não é suportado por essa tabela e requer um método adequado ao intervalo de dureza efetivo.

A medição original deve permanecer visível. “420 HBW convertido para 44 HRC” é substancialmente melhor do que comunicar simplesmente “44 HRC”, porque informa o leitor de que não foi realizado qualquer ensaio Rockwell. Um registo sólido inclui a escala medida, a escala convertida, a norma de ensaio, a localização e a condição do material ou do tratamento térmico.

Misturar escalas, unidades e condições do penetrador

As designações de dureza contêm informação sobre o ensaio. As escalas HRC, HRB e Rockwell superficial não são versões intercambiáveis de um único número Rockwell. A HRC utiliza um penetrador de diamante e uma carga maior de 150 kgf; a HRB utiliza geralmente um penetrador esférico e uma carga maior de 100 kgf. As escalas Rockwell superficiais utilizam forças inferiores e têm as suas próprias designações, como 30N ou 30T. Omitir o sufixo pode transformar um resultado rastreável num resultado ambíguo.

O mesmo aviso se aplica à notação Brinell. HBW identifica uma esfera de carboneto de tungsténio, enquanto registos mais antigos podem utilizar as convenções HB ou HBS, que não fornecem a mesma informação sobre o penetrador. Um resultado Brinell também depende do diâmetro da esfera, da força de ensaio, do tempo de aplicação da carga e da relação entre a força e o diâmetro da indentação. Dois valores escritos como “HB” podem não ter sido gerados em condições equivalentes.

A dureza Vickers, escrita como HV, com a força de ensaio frequentemente incluída na designação, constitui outra fonte frequente de erro. HV é um número de dureza, não um valor de resistência à tração. Uma afirmação como “o aço com 650 HV tem uma resistência à tração de 650 MPa” confunde grandezas não relacionadas e pode estar errada por uma margem elevada. Para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, a investigação identificou a relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, mas o mesmo estudo indica que as relações entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). A expressão é, portanto, uma aproximação empírica restrita, não uma lei de conversão.

As unidades introduzem outra armadilha. A dureza Brinell não é um valor de tensão, embora a sua definição numérica contenha força e área. A resistência à tração pode ser indicada em MPa ou ksi, enquanto as escalas de dureza são números de ensaio adimensionais com significados específicos de cada escala. Uma tabela que estime a resistência à tração a partir de HBW deve ser identificada como uma estimativa, indicando a sua fonte e o intervalo de materiais abrangido.

A geometria pode invalidar uma escala que, de outro modo, seria adequada. Uma chapa fina pode apresentar um resultado falsamente elevado ou reduzido se a indentação for demasiado profunda ou se o apoio for inadequado. Uma peça pequena, uma superfície curva, uma aresta estreita ou uma camada endurecida localmente podem não fornecer material suficiente para a indentação pretendida. O relatório da SAE, Ensaios de dureza e conversões de números de dureza (1967), afirma que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação.

Extrapolar entre qualidades ou tratamentos térmicos

O erro mais perigoso não é aritmético. É a substituição não analisada do material: aplicar a uma qualidade de aço uma relação estabelecida para outra, simplesmente porque ambas são designadas como “aço”.

Uma correlação para aço-carbono pode funcionar razoavelmente para uma qualidade de carbono simples no estado normalizado e falhar para um aço para ferramentas de alta liga, um aço inoxidável endurecível por precipitação ou um aço de baixo carbono cementado. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 e AISI 17-4 PH não partilham uma única relação entre dureza e resistência. O teor de elementos de liga, as populações de carbonetos ou precipitados, a austenite retida, o tamanho de grão e a resposta à deformação alteram tanto o comportamento à indentação como o comportamento à tração.

O tratamento térmico pode ser decisivo mesmo dentro da mesma qualidade. AISI 4140 temperado e revenido, AISI 4140 recozido e AISI 4140 endurecido por indução podem produzir a mesma dureza nominal do material maciço num determinado local, embora difiram na distribuição da resistência, nas tensões residuais e no comportamento à rotura. O endurecimento superficial é particularmente fácil de não detetar. A cementação, a nitruração, o endurecimento por indução e o endurecimento por laser podem criar uma camada endurecida sobre um núcleo mais macio. Uma indentação superficial Rockwell ou Vickers pode medir a camada; uma indentação Brinell maior pode incluir o núcleo. Converter qualquer um dos resultados sem registar a profundidade e a localização cria uma comparação falsa.

A investigação sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços no estado bruto ou normalizado (Materials Today: Proceedings, 2023). Essa conclusão apoia uma utilização controlada dentro de uma população de aços definida; não justifica transferir a relação para aço para ferramentas endurecido ou aço inoxidável. Um estudo do NIST de 1929 também indicou que a resistência à tração dos aços pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, tratando, contudo, a relação como empírica e não universal (NIST, 1929).

Quando as propriedades de tração afetam o projeto, a qualificação de soldadura, a avaliação da fratura ou a aceitação, é necessário realizar um ensaio de tração direto ou utilizar uma correlação validada e específica para a qualidade e a condição do material. A tabela deve apoiar o julgamento, não substituir o ensaio de que a decisão efetivamente depende.

Registar corretamente a dureza e as propriedades convertidas

Os dados de dureza devem apresentar aquilo que foi efetivamente medido antes de qualquer conversão. Um valor de dureza sem a respetiva escala, método e condição de ensaio está incompleto: «dureza 42» pode significar 42 HRC, 42 HRB, 42 HV ou 42 HBW, e esses valores não descrevem a mesma resposta do material. O relatório deve também esclarecer se o valor resultou de um ensaio de indentação, de uma tabela de conversão publicada ou de uma estimativa baseada numa relação empírica com a resistência.

Registar primeiro o resultado original do ensaio

O primeiro valor apresentado num relatório deve ser o resultado medido na sua escala e designação originais. Por exemplo:

> Dureza medida: 58 HRC, ASTM E18, aço AISI 4140, temperado e revenido a 540 °C; localização do ensaio: meio do raio, 10 mm abaixo da superfície maquinada; superfície retificada; durómetro Rockwell calibrado, carga principal de 150 kgf.

Esta declaração identifica um resultado obtido através de um ensaio Rockwell. Não substitui silenciosamente o resultado por um valor Brinell ou Vickers. Se tiverem sido realizadas várias indentações, devem ser indicadas as leituras individuais ou a respetiva média e amplitude, por exemplo, 58, 59, 58 HRC; média de 58,3 HRC, amplitude de 1 HRC. O número de indentações e o espaçamento entre elas podem ser relevantes quando o material apresenta um gradiente, uma microestrutura grosseira, descarbonetação ou tratamento térmico localizado.

Sempre que possível, o relatório deve identificar exatamente a qualidade do aço conforme especificada pela norma aplicável ao material. «4140» é menos preciso do que SAE J404 Grade 4140, e «aço inoxidável» não é uma descrição adequada da qualidade quando o material é UNS S30400, AISI 304 ou possui outra designação especificada. Deve ser registada a condição do tratamento térmico: recozido, normalizado, temperado e revenido, cementado, nitretado ou no estado de fornecimento. Uma leitura de dureza obtida numa camada nitretada não é intercambiável com uma leitura obtida no núcleo.

A geometria deve constar do registo, porque secções finas, peças pequenas, superfícies curvas e provetes de baixa massa podem distorcer os resultados da indentação. Deve ser indicada a espessura, o diâmetro, a distância a uma aresta e se o ensaio foi realizado numa superfície plana ou curva. A preparação da superfície também é importante. Devem ser identificadas a maquinagem, a retificação, o polimento, a remoção de revestimentos e qualquer carepa ou camada descarbonetada visível. Um resultado Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop ou Leeb deve indicar o instrumento ou, pelo menos, o método de ensaio, a carga, o penetrador e a norma aplicável.

Indicar a norma e a base da conversão

Um valor convertido deve seguir-se à medição original, não substituí-la. Por exemplo:

> Medido: 58 HRC, ASTM E18. Convertido: aproximadamente 615 HV equivalente a Rockwell, ao abrigo da ASTM E140-12, Tabela [tabela aplicável], para o intervalo de aços especificado; a conversão é aproximada e não corresponde a uma medição Vickers independente.

O número da tabela ou a equação devem ser registados quando a fonte os fornecer. Se o resultado tiver sido obtido através de software, devem ser identificados o software, a base de dados, a revisão e a categoria de material selecionada. «Convertido para 615 HV» é insuficiente, porque tabelas diferentes podem produzir resultados diferentes, particularmente próximo dos limites dos respetivos intervalos declarados.

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornece relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços ligados e aços-ferramenta homogéneos. A ASTM declara que «as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura do grão e pelo tratamento térmico» (ASTM International, 2012). Essa limitação faz parte do resultado. Deve ser mantida nos desenhos, nos registos de inspeção e nos certificados, em vez de ser eliminada por conveniência de apresentação.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. A sua advertência é mais rigorosa do que sugerem muitas tabelas de conversão resumidas: os valores convertidos aplicam-se diretamente apenas ao material exato ensaiado, e as estimativas da resistência à tração são as conversões menos fiáveis (International Organization for Standardization, 2013). Por conseguinte, um relatório deve indicar explicitamente a base da conversão:

> Base: ISO 18265:2013, tabela de conversão para aços, valor aproximado; aplicabilidade restringida à qualidade e à condição do material ensaiado.

A ASTM E140 e a ISO 18265 não autorizam a conversão de todas as combinações de escalas. As suas tabelas têm categorias de materiais, intervalos e limitações relativas aos métodos de ensaio. Uma conversão fora desses limites deve ser assinalada como não suportada ou ser omitida.

Separar os valores medidos, convertidos e estimados

Devem ser utilizadas designações separadas para três tipos diferentes de informação:

> Dureza medida: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Dureza convertida: aproximadamente 22 HRC, ISO 18265:2013, tabela aplicável para aços. > Resistência à tração estimada: aproximadamente 760 MPa, relação empírica entre dureza e resistência; não medida através de ensaio de tração.

O terceiro valor nunca deve ser apresentado como resistência à tração: 760 MPa, a menos que tenha sido obtido através de um ensaio de tração. A ISO 18265 identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis. O estudo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, concluiu que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas essa conclusão descreve uma conveniência empírica, não uma lei universal. O ensaio de tração direto continua a ser necessário quando um cálculo de projeto, uma certificação do material, uma investigação de falha ou uma decisão de aceitação depende do limite de elasticidade, da resistência à tração máxima, do alongamento ou da redução de área.

Algumas relações só são úteis dentro de uma classe de materiais especificada. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência. A razão varia consoante a classe do material, a microestrutura e a morfologia da indentação; não deve ser aplicada automaticamente a ASTM A36 ferrítico-perlítico, SAE J404 Grade 4140 temperado e revenido, aço inoxidável martensítico ou uma superfície nitretada. Um estudo de 2023 sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros da resistência à tração em material no estado bruto ou normalizado. Esse resultado não estabelece a mesma reta para aço temperado e revenido, encruado, cementado ou endurecido por precipitação.

Por conseguinte, uma entrada completa pode ser redigida da seguinte forma:

> Material: SAE J404 Grade 4140, temperado e revenido a 540 °C; barra de 40 mm, ensaio realizado no meio do raio; superfície retificada. Medido: 31 HRC, ASTM E18, durómetro Rockwell calibrado. Convertido: aproximadamente 295 HBW, ASTM E140-12, tabela aplicável para aços ligados; apenas aproximado. Resistência à tração estimada: aproximadamente [valor] MPa, com base em [equação ou tabela identificada]; apenas uma estimativa, não um resultado de ensaio de tração.

Este formato preserva a evidência, os pressupostos e as limitações da conversão. Permite também que um revisor posterior decida se é necessário um ensaio direto, em vez de confundir um valor equivalente conveniente com uma nova medição.

Comparações metalúrgicas práticas sem falsa precisão

A conversão de dureza torna-se enganadora quando o número é tratado como uma identidade do material, em vez de ser entendido como o resultado de um ensaio específico realizado numa determinada condição do aço. Um valor de dureza Brinell medido numa secção sã e homogénea pode apresentar uma correlação razoável com a resistência à tração dentro de uma família controlada de aços normalizados. O mesmo valor numérico de dureza obtido num aço temperado e revenido, ou na camada cementada de um componente, não tem o mesmo significado.

A ASTM E140-12, Tabelas normalizadas de conversão de dureza para metais, fornece relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços homogéneos ao carbono, ligados e para ferramentas. A ASTM afirma directamente que “as conversões são afectadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Esta limitação aplica-se a cada uma das comparações abaixo.

Aço estrutural não ligado normalizado

Um aço estrutural não ligado normalizado é o caso em que a relação entre dureza Brinell e resistência pode ser relativamente coerente. Considere-se um grau como o ASTM A36, ou um grau da norma EN 10025-2, como o S275JR, desde que o material esteja efectivamente numa condição normalizada ou equivalente de grão fino e que a secção ensaiada seja suficientemente homogénea. A normalização refina e uniformiza a estrutura de ferrite–perlita através do aquecimento acima da gama crítica e do arrefecimento ao ar. Não torna idêntica cada corrida de aço, mas reduz parte da variação de condição que dificulta a interpretação da dureza.

Nesta classe, a dureza Brinell amostra um volume relativamente grande através de uma indentação produzida por uma esfera. O resultado calcula, portanto, uma média de ferrite, perlita, inclusões e flutuações locais de forma mais eficaz do que uma impressão de microdureza muito pequena. Se o teor de carbono, o teor de manganês, o tamanho dos grãos, a espessura e o historial de processamento permanecerem dentro de uma população restrita, o aumento da dureza Brinell será geralmente acompanhado por um aumento do limite de elasticidade e da resistência à tração. Um estudo de 2023 publicado em Materials Today: Proceedings identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos, na condição bruta ou normalizada (Materials Today: Proceedings, 2023).

“Geralmente linear” não constitui autorização para calcular um valor garantido de resistência à tração a partir de uma única indentação. Descreve uma relação ajustada para um conjunto de materiais. Mesmo dentro do S275JR ou do ASTM A36, diferenças na espessura da chapa, na prática de desoxidação, nos teores de fósforo e enxofre, no historial de laminagem e na segregação local podem alterar o resultado. Um valor de dureza obtido na zona afectada pelo calor de uma soldadura não é intercambiável com um valor obtido na chapa de base.

O estudo mais antigo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell chegou a uma conclusão prática que continua a ser útil: a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas a estimativa é empírica e não uma lei universal (NIST, 1929). Assim, uma tabela de conversão pode ajudar a verificar a uniformidade do material ou apoiar o controlo do processo quando a família e a condição do aço correspondem às da tabela. Não pode substituir um ensaio de tracção quando estão em causa um limite de elasticidade especificado, uma resistência à tração, um alongamento ou um critério de aceitação.

Aço-liga temperado e revenido

Um aço-liga temperado e revenido evidencia de forma mais clara as limitações de uma conversão geral de dureza. Tanto o SAE 4140 como o EN 10083-3 42CrMo4 podem ser descritos como aços ao crómio-molibdénio; contudo, a sua relação entre dureza e resistência depende fortemente da prática de austenitização, da severidade da têmpera, da temperatura de revenido, do tempo de manutenção e da dimensão da secção. O mesmo grau nominal pode conter martensite revenida junto de uma superfície temperada, uma mistura de bainite e martensite numa posição intermédia e uma estrutura de transformação mais macia em direcção ao centro de uma barra de grandes dimensões.

A condição de revenido é importante porque a dureza e o comportamento à tracção não variam exactamente na mesma proporção ao longo de toda a gama de revenido. A martensite revenida a baixa temperatura pode conservar uma dureza elevada e uma tenacidade limitada; o revenido a temperaturas mais altas reduz a dureza, melhorando simultaneamente a ductilidade e aliviando as tensões residuais. As reacções de endurecimento secundário, a precipitação de carbonetos, a austenite retida e a fragilização por revenido podem perturbar ainda mais uma relação simples baseada num único número. Uma conversão de HRC para HB pode ser aceitável como aproximação entre escalas para um provete de ensaio homogéneo, ao passo que uma resistência à tração estimada com base nesse HB convertido pode comportar uma incerteza substancialmente maior.

A dimensão da secção é igualmente importante. Um pequeno provete de 42CrMo4 pode endurecer ao longo de toda a sua secção, enquanto um veio forjado de grandes dimensões com a mesma designação pode desenvolver um gradiente de dureza, porque o núcleo arrefece mais lentamente. Ensaiar a superfície e atribuir esse resultado a toda a secção transversal pode sobrestimar a resistência do núcleo. O relatório técnico da SAE, Ensaios de dureza e conversões de números de dureza, afirma que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça em causa, uma vez que a dimensão, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação (SAE International, 1967).

A relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS, apresentada para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência num estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A, ilustra o perigo de extrapolar uma correlação útil para além da sua classe de materiais. O estudo indica também que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). Esta relação não deve ser aplicada como regra geral a todas as condições do 4140, muito menos a uma cadeia de conversões que envolva várias escalas de dureza.

Aço endurecido superficialmente com núcleo macio

Um componente de aço cementado torna especialmente insegura a substituição da resistência à tração pela dureza. Considere-se o SAE 8620 ou o EN 10084 20MnCr5 após cementação, têmpera e revenido. O enriquecimento em carbono produz uma camada cementada martensítica dura, enquanto o núcleo com baixo teor de carbono permanece muito mais tenaz e substancialmente mais macio. A peça não possui, portanto, uma única dureza que represente o seu estado mecânico completo.

Uma medição Rockwell C na camada cementada indica a resistência de uma região superficial pouco profunda. Diz pouco sobre o limite de elasticidade do núcleo, a resistência à tração do núcleo, o alongamento ou o comportamento à fractura. Se a camada cementada for fina em relação à profundidade da indentação, ou se a carga de ensaio atingir a zona de transição, o valor medido pode ser reduzido pela influência do substrato macio. Um ensaio Rockwell superficial ou Vickers pode caracterizar melhor a camada cementada, mas continua a caracterizar apenas a camada ensaiada, e não o material maciço. Os perfis de microdureza podem mapear a dureza desde a superfície até ao núcleo; por si só, não conseguem estabelecer uma curva de tensão–deformação à tracção.

A distinção afecta também a amostragem. A remoção da camada cementada por rectificação antes de um ensaio Brinell pode produzir uma dureza significativa do núcleo, mas esse resultado deve ser comunicado como uma medição do núcleo. Manter a camada cementada intacta e efectuar uma medição superficial produz um resultado relativo à camada cementada. Designar qualquer dos valores como “a dureza da peça” oculta o gradiente de propriedades.

A ISO 18265:2013 especifica princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração, mas afirma que os valores convertidos se aplicam directamente apenas ao material exacto ensaiado e identifica as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis (ISO, 2013). Um dente cementado de SAE 8620 não é o material homogéneo exacto representado por uma tabela de conversão para aços ao carbono. Por conseguinte, a ASTM E140-12 não pode transformar o valor HRC da sua camada cementada num valor defensável da resistência à tração do material maciço.

Para uma decisão de projecto ou de aceitação, a resposta correcta consiste em definir a propriedade que está a ser verificada: dureza da camada cementada, profundidade efectiva da camada cementada, dureza do núcleo ou propriedades de tracção obtidas a partir de um provete preparado separadamente. Os ensaios de tracção directos, o exame metalográfico e o perfil de dureza em profundidade respondem a perguntas diferentes. Um número convertido responde apenas à pergunta restrita sustentada pela correlação aplicável e específica do material.

Um Fluxo de Trabalho Prático de Referência

A conversão de dureza deve começar por uma decisão sobre a propriedade de que realmente se necessita. Um valor de dureza medido descreve a resposta de uma determinada superfície, localização, penetrador e força de ensaio. Um valor de dureza convertido é uma estimativa noutra escala de dureza. Uma resistência à tração estimada é uma inferência adicional e é, geralmente, menos fiável do que uma conversão entre escalas de dureza. Estes três resultados não devem ser comunicados como se fossem permutáveis.

Antes do ensaio

Defina a questão de engenharia antes de selecionar o ensaio. Se o requisito for a resistência ao desgaste da superfície, a profundidade da camada endurecida, a uniformidade local do tratamento térmico ou um valor para controlo da produção, a dureza poderá ser a propriedade direta adequada. Se o requisito for o limite de elasticidade, a resistência máxima à tração, a extensão, o comportamento à fratura ou a certificação do material, a dureza é apenas uma possível medição de triagem. Um ensaio de tração é o método direto para determinar propriedades de tração.

Identifique o grau do aço e o estado do produto com a maior precisão permitida pelos registos. “Aço ao carbono” não é suficiente. Registe a designação, como ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 ou EN 1.2379, juntamente com a forma do produto, a dimensão da secção, o tratamento térmico, o revenido, o trabalho a frio e o tratamento superficial. Um provete de 4140 temperado e revenido a 540 °C não tem a mesma relação dureza–resistência que um 4140 recozido, mesmo que ambos sejam designados por 4140. Uma superfície cementada, uma camada descarburada, uma zona termicamente afetada pela soldadura e uma chapa normalizada podem exigir, cada uma, um plano de medição diferente.

Selecione a escala com base na geometria e na dureza esperada, não por conveniência. A escala Brinell é útil para muitas secções maiores e relativamente uniformes, mas a impressão da esfera requer espessura suficiente e distância adequada em relação aos bordos ou a impressões adjacentes. A escala Rockwell é mais rápida e deixa uma impressão menor, enquanto as escalas Rockwell superficial são adequadas para secções mais finas ou camadas endurecidas pouco profundas. A microdureza Vickers e Knoop permite analisar pequenas regiões, gradientes e fases individuais, mas a preparação da superfície e a técnica do operador tornam-se mais importantes. Os métodos Leeb e Scleroscope são portáteis e úteis em condições de campo adequadas; contudo, as suas leituras dependem fortemente da massa, do apoio, da orientação, do estado da superfície e da configuração do instrumento.

Leia a norma de ensaio aplicável antes de efetuar a impressão. A ASTM E10 rege os ensaios de dureza Brinell, a ASTM E18 os ensaios de dureza Rockwell e a ASTM E384 os ensaios de dureza por microindentação; o método ISO relevante também poderá ser especificado pelo desenho ou pela norma do material. A ASTM E140-12, Tabelas Normalizadas de Conversão de Dureza para Metais, contém relações aproximadas entre valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços ao carbono, ligados e para ferramentas homogéneos. Não transforma uma escala num substituto universal de outra.

Planeie a preparação do provete. Remova carepa, ferrugem, tinta e rebarbas sem alterar a camada tratada termicamente através de retificação ou polimento excessivo. A superfície de ensaio deve ser plana, limpa e suficientemente lisa para o método selecionado. Apoie firmemente o provete. Uma chapa fina que se flexione sob o penetrador pode produzir uma leitura enganadoramente baixa, enquanto uma peça curva ou deficientemente apoiada pode deslocar o resultado em qualquer direção.

Durante a medição

Confirme o instrumento utilizando os blocos de referência ou o procedimento de verificação exigidos e registe a identificação da máquina, o tipo de penetrador, a força, o tempo de permanência, a temperatura e o local do ensaio. Não misture silenciosamente escalas ou cargas. “HRC” e “HRB” são escalas Rockwell diferentes, não designações permutáveis; “HV10” e “HV0.2” utilizam forças de ensaio diferentes e podem analisar volumes microestruturais distintos.

Efetue as impressões afastadas de bordos, furos, limites de soldadura e impressões anteriores, respeitando as distâncias exigidas pela norma de ensaio. Num componente endurecido superficialmente, faça o mapeamento da distância à superfície em vez de efetuar uma única leitura conveniente. Num aço segregado, bandeado ou multifásico, poderão ser necessárias várias impressões para distinguir uma variação real da dispersão da medição.

Repita as medições. Três leituras podem ser adequadas para um provete laboratorial uniforme, enquanto uma junta soldada, um revestimento fino, um gradiente ou um forjamento de grandes dimensões podem exigir uma grelha mais extensa. Rejeitar uma leitura inconveniente sem uma regra documentada constitui uma má prática. Comunique os valores individuais, a média, a amplitude ou o desvio-padrão e quaisquer exclusões, indicando os respetivos motivos. Se as impressões repetidas variarem significativamente, investigue o estado da superfície, o apoio, a seleção da escala, a microestrutura e a técnica do operador antes de efetuar qualquer conversão.

O resultado medido deve conservar a sua identidade original: por exemplo, 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 ou 310 HV10. A conversão deve ser apresentada separadamente, por exemplo: “aproximadamente 22 HRC, convertido a partir de 235 HBW utilizando a ASTM E140-12”. Isto evita que o resultado de uma tabela seja confundido com uma segunda medição.

Após a conversão

Utilize uma tabela de conversão correspondente à família do aço e ao intervalo medido. A ASTM E140-12 afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). A ISO 18265:2013 especifica princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração, mas declara que os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado; identifica também as estimativas da resistência à tração como as conversões menos fiáveis (ISO, 2013). Um valor tabelado fora do intervalo indicado não se torna válido por lhe serem acrescentadas casas decimais.

Trate as estimativas da resistência à tração como resultados de triagem. Um estudo do NIST de 1929 comunicou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, com base em relações empíricas Rockwell–Brinell (NIST, 1929). Essa conclusão apoia uma correlação prática, não uma lei universal. O relatório da SAE de 1967, Ensaios de Dureza e Conversões de Números de Dureza, explica igualmente que as conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição, o tratamento térmico e a peça de aço específicos, uma vez que o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação.

A relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ foi comunicada para alguns materiais metálicos dúcteis de elevada resistência, mas o estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A relacionou os rácios entre dureza e resistência com a classe do material, a microestrutura e a morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). Esta relação não deve ser aplicada automaticamente a chapas ferrítico-perlíticas, aços-ferramenta martensíticos, aços inoxidáveis endurecidos por precipitação ou camadas superficiais endurecidas. Do mesmo modo, um estudo de 2023 identificou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e a resistência à tração para aços estruturais não ligados, históricos e contemporâneos, em estado bruto ou normalizado, mas não para todas as ligas ou estados de tratamento térmico (Materials Today: Proceedings, 2023).

Registe a tabela de origem, a edição, a escala original, a escala convertida, a designação do aço, o estado, o local do ensaio, o número de leituras e a incerteza. Indique se o valor é medido, convertido ou estimado. Inclua limitações como os efeitos de secções finas, os gradientes superficiais, o tratamento térmico desconhecido, o estado da calibração e o facto de o aço se encontrar, ou não, fora dos dados de origem.

O fluxo de trabalho de engenharia é, portanto: definir a propriedade necessária; selecionar, sempre que possível, um ensaio direto válido; verificar o grau e o estado do aço; preparar e apoiar o provete; efetuar medições repetidas; consultar a norma de conversão relevante; registar a incerteza e as limitações; e recorrer a ensaios de tração diretos quando o resultado afetar o projeto, a certificação ou a aceitação do material.

Referências

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897